1. Молекулярная биология для
биоинформатиков
• Академический университет
• Ефимова Ольга Алексеевна
В презентации выборочно использованы слайды из курсов
«Биохимия» и «Физиология и биохимия растений» СПбГУ

2. • Метаболизм – совокупность химических
реакций организма
• Катаболизм: Энерго-высвобождающие
процессы
• Анаболизм: Энергопотребляющие
процессы
Лекция 4 – Метаболизм. Дыхание клетки.

3. Метаболизм:

4. • Метаболический путь –
последовательность химических
реакций в клетке, катализируемых
ферментами
• Ферменты определяют направление
метаболического пути
• Ферменты кодируются генами

5. Ферменты (энзимы)

6. Ферменты
• Биологические катализаторы
– Специфичны для химической реакции; не
расходуются во время реакции
• Апоэнзины: белки
• Кофакторы: небелковые компоненты
– коэнзимы: органические кофакторы
• Голоэнзимы: апоэнзим+кофактор

7. Ферменты

8. Важные коэнзимы
• NAD+
• NADP+
• FAD
• Coenzyme A

9. Классификация энзимов
• Оксидоредуктазы: реакции окисления-
восстановления
• Трансферазы: переносят функциональные
группы
• Гидролазы: обеспечивают гидролиз
• Лиазы: перемещают атомы без гидролиза
• Изомеразы: перегруппировки атомов
• Лигазы: соединение молекул с использованием
энергии АТФ

10. Факторы, влияющие на
активность ферментов
• Конкурентное ингибирование

11. • Неконкурентное ингибирование
Факторы, влияющие на
активность ферментов

12. Катаболизм:
Белки Углеводы Липиды
Аминокислоты Моносахара Жирные к-ты,глицерол
Гликолиз
пируват
ЦИКЛ
ТРИКАРБ.
КИСЛОТ
ОКИСЛИТЕЛЬ-
НОЕ
ФОСФОРИЛИ-
РОВАНИЕ
Энерговысвобождающий
процесс

13. Основные этапы метаболизма углеводов
• Расщепление в пищеварительном тракте поступающих с пищей
полисахаридов и дисахаридов до моносахаридов. Всасывание
моносахаридов из кишечника в кровь.
• Синтез и распад гликогена в тканях (в печени, мышцах).
• Взаимопревращение гексоз.
• Гликолиз – распад глюкозы, завершающий образованием лактата в
отсутствие кислорода (анаэробный гликолиз) или образованием
пирувата в присутствии кислорода (аэробный гликолиз)
• Аэробный путь прямого окисления глюкозы (пентозофосфатный путь
или пентозный цикл).
• Цикл трикарбоновых кислот - окисление продукта гликолиза
(пирувата) до СО2 и Н2О).
• Глюконеогенез - или образование углеводов из неуглеводных
предшественников (пировиноградная и молочная кислоты, глицерин,
аминокислоты и ряд других соединений).

14. Возможные пути превращения глюкозы
ГЛЮКОЗА
Гликоген,
сахароза
запасание
окисление через
пентозофосфатный путь
Рибозо-5-фосфат Пируват
окисление через гликолиз

15. Схема окисления глюкозы
ГЛЮКОЗА
2 этанол + 2 СО2
2 лактат
2 пируват
2 ацетил-КоА
4СО2 + 4Н2О
гликолиз
Гипоксия или
анаэробные
условия
анаэробные
условия
аэробные
условия
Цикл трикарбоновых
кислот
СО2
Дрожжи
Сильно
сокращающиеся
мышцы, эритроциты,
микроорганизмы
Животные,
растения, аэробные
микроорганизмы

16. 1
3
4
5
Подготовительный
этап
• Тратятся 2
молекулы АТФ
Этапы окисления глюкозы

17. 9
Субстратное фосфорилирование
• Образуется:
2 молекулы
пирувата
4 молекулы АТФ
2 молекулы NADH

18. Этапы окисления глюкозы
Глюкокиназа
(гексокиназа)
1.

19. Фосфоглюко
изомераза
Фосфофрукто
киназа
2.
3.

20. Альдолаза
4.

21. 5.
Триозофосфат
изомераза

22. Глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа
6.

23. 8.
7.
Фосфоглицераткиназа
Фосфоглицератмутаза

24. енолаза
пируваткиназа
9.
10.

25. Уравнение гликолиза
• глюкоза + 2 ATP + 2 ADP + 2 PO4
–
+ 2 NAD+
→
2 пируват + 4 ATP + 2 NADH + 2H+

26. трегалаза лактаза
α-амилаза
Гликоген-
фосфорилаза
сахараза
гексокиназа
Фосфоглюко
-мутаза
гексокиназа
Фосфоманно-
изомераза
гексокиназа
фруктокиназа
Фруктозо-1-
фосфат-альдолаза
Триозо
киназа
Триозофосфат-
изомераза
Трегалоза Лактоза
Гликоген, крахмал
Сахароза
D-глюкоза
D-галактоза
D-манноза
D-фруктоза
Глюкозо-1-
фосфат
Глюкозо-
6-фосфат
Фруктозо-
6-фосфат
Фруктозо-1,6-
бифосфат
Глицеральдегид
-3-фосфат
Глицеральдегид
Дигидроксиацетон-
фосфат
Фруктозо-1-фосфат
Маннозо-6-фосфат
УДФ-галактоза
УДФ-глюкоза
Вовлечение
углеводов в
гликолиз

27. Белки Углеводы Липиды
Аминокислоты Моносахара Жирные к-ты,глицерол
Гликолиз
пируват
ЦИКЛ
ТРИКАРБ.
КИСЛОТ
ОКИСЛИТЕЛЬ-
НОЕ
ФОСФОРИЛИ-
РОВАНИЕ

28. Схема окисления глюкозы
ГЛЮКОЗА
2 этанол + 2 СО2
2 лактат
2 пируват
2 ацетил-КоА
4СО2 + 4Н2О
гликолиз
Гипоксия или
анаэробные
условия
анаэробные
условия
аэробные
условия
Цикл трикарбоновых
кислот (цикл Кребса)
СО2
Дрожжи
Сильно
сокращающиеся
мышцы, эритроциты,
микроорганизмы
Животные,
растения, аэробные
микроорганизмы
Спиртовое
брожение:
Молочнокислое
брожение:

29. Анаэробный гликолиз
Маслянокислое брожение: глюкоза → С3Н7СООН + 2 CO2 + 2 H2O.
Лимоннокислое брожение: глюкоза → CH2COOH-C(OH)COOH-CH2COOH +
2 H2O.
Пируват L-лактат
Пируват Ацетальдегид Этанол
Молочнокислое
брожение:
Спиртовое
брожение:
Лактат
дегидрогеназа
Пируват
декарбоксилаза
Алькоголь
дегидрогеназа

30. Ганс Кребс (Hans Adolf Krebs)
(1900-1981)
Нобелевская премия по
медицине 1953 г.
(совместно с Fritz Lipmann)

31. Цикл трикарбоновых
кислот (цикл Кребса)

32. Итог цикла Кребса:
• 3 молекулы NADH
• 1 молекула FADH2
• 2 молекулы CO2
• 1 молекула АТФ

33. Общая схема
гликолиза,
Цикла Кребса и
окислительного
фосфорилирования
в митохондриях

34. Митохондрия – компартмент ЦТК и ОФ

35. Митохондрия
ATP-синтаза
(F0F1)
Кристы
Внешняя мембрана
Легко проницаема
для небольших
молекул и ионов
Внутренняя мембрана
Непроницаема для
большинства небольших
молекул и ионов, включая Н+
Содержит:
•Переносчики электронов
дыхательной цепи
(комплексы I - IV)
•ADP-ATP-транслоказы
•ATP-синтазу (F0F1)
•Другие мембранные
транспортеры
Матрикс
Содержит:
•Пируват дегидрогеназный
комплекс
•Ферменты ЦТК
•Ферменты β-окисления
жирных кислот
•Ферменты окисления
аминокислот и другие
•ДНК, рибосомы
•ATP, ADP, Pi, Mg2+
, Ca+
, K+
•Многие растворимые
метаболические
интермедиатыРибосомы
Пориновые
каналы
Субмитохондриальные
частицы

36. Электрон-транспортная цепь

37. Белковые компоненты митохиндриальной
ЭТЦ
Дыхательные ферменты

38. Хемиосмотическая модель
синтеза АТФ
PLAY

39. АТФ-синтаза
Синтез АТФ путем
ротационного катализа
(binding change
mechanism)
Итог – 36 молекул АТФ
PLAY

40. В цикле Кребса окисляются не
только углеводы
PLAY

41. Стадия 1: образование ацетил-КоА
Амино- Жирные Глюкоза
кислоты кислоты
Гликолиз
Ацетил-КоА
Пируват
Пируват-
дегидрогеназный
комплекс

42. Стадия 2: цикл трикарбоновых кислот –
окисление ацетил-КоА до СО2 и Н2О
Ацетил-КоА
NADH, FADH2
(восстановленные
переносчики e-
)
Цикл
трикарбоновых
кислот

43. Стадия 3: перенос электронов и
окислительное фосфорилирование
NADH, FADH2
(восстановленные
переносчики e-
)
Дыхательная цепь
(цепь переноса
электронов)

44. Возможные пути превращения глюкозы
ГЛЮКОЗА
окисление через
пентозофосфатный путь
Рибозо-5-фосфат Пируват
окисление через гликолиз
Гликоген,
сахароза
запасание

45. Гликоген-
синтаза
Синтез гликогена

46. Образование разветвлений
Ветвящий
фермент

47. Возможные пути превращения глюкозы
ГЛЮКОЗА
Рибозо-5-фосфат Пируват
окисление через гликолиз
Гликоген,
сахароза
запасание
окисление через
пентозофосфатный путь

49. Пентозофосфатный путь
окисления глюкозы
(первый этап)
Второй этап:
превращение рибозо-5-фосфата в гексозы происходит в ходе
трансальдолазной и транскетолазных реакций