Билет 22.

Источником углеводов организма служат углеводы пищи – крахмал, сахароза и лактоза. Кроме того, глюкоза, может образовываться в организме из аминокислот, глицерина.

Углеводы пищи в пищеварительном тракте распадаются на мономеры. В переваривании принимают участие гидролазы.

Специфические гидролазы: мальтаза, сахараза, лактаза вырабатываются клетками кишечника и содержатся в кишечном соке.

Продукты полного переваривания углеводов – глюкоза, галактоза и фруктоза – через клетки кишечника поступают в кровь. При всасывании из кишечника в кровь моносахариды проникают через клеточные мембраны путем облегченной диффузии и с помощью активного транспорта. Активный транспорт обеспечивает перенос моносахаридов против градиента концентрации, и поэтому может функционировать тогда, когда концентрация глюкозы или галактозы в кишечнике невелика.

Важнейшие сахара через воротную вену проникают в печень, где идет превращение фру и гал в глю.

Фосфорилирование глюкозы: реакция протекает необратимо, катализируется гексокиназой и требует затраты АТФ:

Необратимые реакции – это реакции, протекающие в прямом направлении под действием одного фермента, а в обратном под действием другого.

Связывание происходит по типу индуцированного соответствия: молекула фермента претерпевает конформационные изменения. Активность гексокиназы ингибируется глю-6-фосфатом.

В печени присутсвует другая форма фермента – глюкокиназа. Глюкокиназа специфична в отношении D-глюкозы. Глюкокиназа печени действует при возрастании концентрации глюкозы, например после приема пищи, богатой углеводами.

Глю-6-ф занимает ключевое положение как общий промежуточный продукт ряда процессов углеводного обмена: он способен к обратимому превращению в пируват путем гликолиза или глюконеогенеза, а также к необратимому – в пентозы в ходе фосфоглюконатного пути. Глю-6-ф может обратимо превращаться в гликоген.

Билет 23-24.

Гликолиз.

Гликолиз (от греч. glykys – сладкий, lysis - распад) – один из центральных путей катаболизма глюкозы.

В процессе гликолиза происходит расщепление шестиуглеродной молекулы глю до 2 пвк. Первые пять этапов составляют подготовительную стадию гликолиза. Продуктом первой стадии гликолиза является глицеральдегид-3-фосфат. Подготовительная стадия гликолиза служит для того, чтобы превратить углеродные цепочки всех метаболизируемых гексоз в один общий продукт – глицеральдегид-3-фосфат.

Вторая стадия гликолиза, состоящая тоже из 5 ферментативных реакций, сопровождается образованием энергии.

Стадии гликолиза.

1. 1. Фосфорилирование глюкозы: реакция протекает необратимо, катализируется гексокиназой и требует затраты АТФ:

Необратимые реакции – это реакции, протекающие в прямом направлении под действием одного фермента, а в обратном под действием другого.

Связывание гексокиназы с гексозой происходит по типу индуцированного соответствия: молекула фермента претерпевает конформационные изменения. Активность гексокиназы ингибируется глю-6-фосфатом.

В печени присутсвует другая форма фермента – глюкокиназа. Глюкокиназа специфична в отношении D-глюкозы. Глюкокиназа печени действует при возрастании концентрации глюкозы, например после приема пищи, богатой углеводами.

Гликолиз включает химические превращения 3 разных типов:

1. Распад углеродного скелета глюкозы с образованием пирувата (путь атомов углерода).

2. Фосфорилирование АДФ высокоэнергетическими фосфорилированными содинениями с образованием АТФ (путь фосфатных групп).

3. Перенос водородных атомов или электронов.

Ферменты, катализикующие гликолиз, локализованы в цитозоле.

Ферменты, катализирующие те этапы окисления углеводов, которые требуют присутствия О₂, локализируются в митохондриальных мембранах.

В этих условиях глюкокиназа действует на избыточную глюкозу крови и переводит ее в глюкозо-6-фосфат для отложения в запас в виде гликогена.

В мышечной ткани глюкокиназа отсутствует.

2.Превращение глю-6-ф во фру-6-ф

3. фосфорилирование фру-6-ф во фру-1,6-дф

4. Расщепление фру-1,6-дф на триозы:

В дальнейших превращениях принимает участие глицеральдегид-3-ф, который образуется в результате изомеризации дигидроксиацетонфосфата:

Дигидроксиацетонфосфат глицеральдегид-3-фосфат

В количественном отношении больше образуется дигидроксиацетонфосфата.

II. На второй стадии гликолиза запасается энергия.

Из одной молекулы глю образуется две молекулы глицеральдегид-3-фосфата, которые участвуют в дальнейших превращениях.

1. Окисление глицеральдегид-3-фосфата до 1,3-фосфоглицероилфосфата: дифосфоглицериновая кислота (гликолитическая оксидоредуктация)

СН₂ОРО₃Н₂ СН₂ОРО₃Н₂

| глицеральдегид- 2 |

СНОН фосфатдегидрогеназа CHOH

| |

С=О C=O

| 2НАД⁺+Фн 2НАДН+Н⁺ |

Н OPO₃H₂

3-ФГА 1,3-фосфоглицератфосфат

Коферментом глицеральдегидфосфатдегидрогеназы является НАД⁺ . Механизм действия этого фермента очень сложен.

2. Образование 3-фосфоглицерата:

3. Образование 2-фосфоглицерата:

4. Образование фосфоенолпирувата – субстратное фосфорилирование:

Высокоэнергетическое фосфорилированное соединение фосфоенолпируват.

5. Образование пирувата:

Дальше процесс идет в зависимости от наличия или отсутствия кислорода в клетке.

II. При достаточном содержании О₂ в клетке глю окисляется до конечных продуктов – СО₂, Н₂О и этот процесс называется аэробным окислением глю.

Конечным продуктом аэробного гликолиза является пируват, а энергетический баланс складывается из 3 молекул АТФ образовавшихся в результате субстратного фосфорилирования и остается еще 2 молекулы восстановленного НАДН, от концентрации которого зависит активность процесса. Для продолжения процесса необходим сброс Н₂ на ферменты дыхательной цепи, но сама молекула НАДН через мембрану митохондрий проникнуть не может, для этого используются переносчики и перенос осуществляется с помощью 2-х механизмов:

1. Глицерофосфатный челночный механизм;

2. Малатно-аспартатный челночный механизм.

Глицерофосфатный челночный механизм.

Малатный челночный механизм.

В процессе гликолиза образуется восстановленная форма НАДН, которая не может непосредственно передавать водород на дыхательную цепь, т.к. митохондриальная мембрана непроницаема для НАДН. Перенос водорода с цитозольного НАДН в митохондрии происходит при участии специальных механизмов, называемых челночными. Суть механизмов сводится к тому, что НАДН в цитозоле восстанавливает какое-то соединение, способное проникать в митохондрию; в митохондрии это соединение окисляется, восстанавливая внутримитохондральный НАД, и вновь переходит в цитозоль.

Баланс аэробного гликолиза:

1. Анаэробный гликолиз – субстратное фосфорилирование – 2АТФ

Глю 2пир

2. 2Пир 2 СН₃СОSKoА – окислительное декарбоксилирование 2 НАДН- 6АТФ

3. Регенерация 2 НАДН в челночном механизме - 6 АТФ

4. ЦТК 2 СН₃СОSKoА СО₂ 24 АТФ

Н₂О

38 АТФ

СХЕМА ГЛИКОЛИЗА.

Билет 24

При анаэробных условиях, например в напряженно работающих скелетных мышцах. Пируват превращается в лактат:

В этих условиях образовавшийся при гликолизе НАДН регенерируется за счет пирувата, d восстанавливается до лактата.

Электроны, пришедшие сначала от глицеральдегид-3-фосфат к НАД⁺, переносятся в форме НАДН на пируват. Восстановление НАД катализируется ЛДГ.

С накоплением лактата в скелетных мышцах связано возникновение чувства усталости. ЛДГ представлена 5 различными изоферментами. ЛДГ сердечной мышцы характеризуется низкой К_m для пирувата, а ЛДГ мышечной ткани имеет более высокую величину К_m для пирувата.

Суммарная реакция:

Глю + 2АДФ + 2Фн 2Лак + 2 АТФ

При анаэробном гликолизе образуется 4 молекулы АТФ, но выделяется только 2 молекулы, т.к. 2 молекулы АТФ затрачиваются в процессе фосфорилирования.

Значение анаэробного гликолиза:

Окисление глю в условиях недостатка кислорода в тканях позволяет получить энергию клеткой при гипоксии, которая может быть вызвана физической нагрузкой, а также нарушениями со стороны сердечно-сосудистой и дыхательной систем. При ИБС наблюдается анаэробный гликолиз, т.к. нарушается при дефиците О₂ работа дыхвтельной цепи, а следовательно окисление глю и жирных кислот, которые является главнейшими источниками энергии.

Билет 25.

Окислительное декарбоксилирование пирувата.

Протекает в митохондриальном матриксе и связывает гликолиз с циклом трикарбоновых кислот.

Превращение пирувата в ацетил-КоА является необратимым процессом и катализируется пируватдегидрогеназным комплексом. Пируватдегидрогеназный комплекс состоит из трех ферментов и содержит пять коферментов: НАД, ФАД, ТПФ, амид липоевой кислоты, СоА. Этот процесс включает 4 реакции, суммарное уравнение записывается так:

Цикл трикарбоновых кислот.

Цикл начинается с конденсации оксалоацетата (ЩУК) с ацетил –КоА с образованием цитрата и КоА. Реакция катализируется цитратсинтетазой. Далее цитрат изомеризуется в изоцитрат, через стадию образования цис-аконитата. Изоцитрат под действием изоцитратдегидногеназы превращается в -кетоглуторат (2-оксоглутарат). Коферментом изоцитратдегидрогеназы является НАД. Дальше -кетоглутарат под действием -кетоглутаратдегидрогеназного комплекса, содержащего НАД, ФАД, КоА, ТПФ и амид липоевой кислоты в качестве коферментов, превращается в сукцинил-КоА. На этом этапе происходит окислительное декарбоксилирование. В сукцинил-КоА имеется связь богатая энергией. При гидролизе сукцинил-КоА образуется около 8 ккал/моль, что сравнимо с величиной энергии, необходимой для синтеза АТФ (~7,3 ккал/моль).

Расщепление тиоэфирной связи сукцинил-КоА сопряжено с фосфорилированием гуанозиндифосфата (ГДФ). Это реакция субстратного фосфорилирования, дающая 1моль АТФ. Это единственная реакция ЦТК, приводящая к образованию высокоэнергетической фосфатной связи. С циклом Кребса сопряжено окислительное фосфорилирование, где образование АТФ сопряжено с окислением НАД или ФАД под действием кислорода.

Затем сукцинат под действием сукцинатдегидрогеназы, содержащей ФАД в качестве кофермента превращается в фумарат. На следующей стадии фумарат подвергается реакции гидратации с образованием малата (яблочной кислоты). Малат под действием НАД-зависимой малатдегидрогеназы превращается в оксалоацетат. Следовательно, в цикле происходит регенерация оксалоацетата, что обеспечивает функционирование ЦТК.

3 НАДН и ФАДН₂, образующиеся в цикле трикабоновых кислот, окисляются в дыхательной цепи (или в цепи переноса электронов). Генерирование АТФ происходит при транспорте электронов от этих переносчиков на О₂. На каждую молекулу НАДН в митохондриях образуется 3 АТФ, а на молекулу ФАДН₂ – 2 молекулы АТФ. Следовательно, в процессе окислительного фосфорилирования образуется 11 АТФ.

Молекулярный кислород непосредственно не участвует в цикле трикарбоновых кислот. Однако цикл функционирует лишь в аэробных условиях поскольку НАД⁺ и ФАД в митохондрии могут генерироваться только при переносе электронов на молекулярный кислород.

Значение ЦТК

1. * Цикл Кребса – основной путь расщепления обеспечивающий генерирование АТФ.

2. Амфиболическая – двойственная функция.

Катаболическая – распад ацетильных остатков

Анаболическая – субстраты цикла Кребса используются для синтеза.

3. Энергетическая функция – 1 АТФ

4. Водороддонорная функция – регенератор водорода для дыхательной цепи.

* Интегративная функция – объединение обмена углеводов, липидов и белков.

Биосинтез углеводов.

Гликолиз, пентозофосфатный путь, гликгенолиз – это катаболические пути, которые сходятся в цикле лимонной кислоты, чтобы передать свои богатые энергией электроны в дыхательную цепь. Перемещаясь по дыхательной цепи к кислороду, эти электроны поставляют энергию для синтеза АТФ. Теперь нам предстоит рассмотреть анаболические пути. На этих путях химическая энергия в форме АТФ и НАДФН используется для синтеза клеточных компонентов из простых предшественников.

Организационные принципы биосинтеза.

1. Пути биосинтеза и пути расщепления тех или иных биомолекул, как правило, не идентичны. Эти пути могут включать какую-нибудь общую обратимую реакцию или даже несколько таких реакций, но у них всегда имеется хотя бы одна ферментативная стадия, по которым они различаются.

2. Биосинтетические пути и соответствующие им катаболические пути контролируется разными регуляторными ферментами. Обычно регуляция соответствующих биосинтетических и катаболитических путей осуществляется координированным образом, реципрокно, так что стимулирование биосинтетического пути сопровождается подавлением катаболитического пути и наоборот. Кроме того, биосинтетические пути регулируются обычно на одном из первых этапов. Это избавляет клетку от непроизводительных трат: она не расходует предшественники на синтез тех промежуточных продуктов, которые ей не понадобятся.

3. Требующие затраты энергии биосинтетические процессы обязательно сопряжены с поставляющем энергию расщеплением АТФ, вследствие чего весь процесс в целом является практически необратимым, точно также как в целом необратим катаболизм. Таким образом, общее количество АТФ (или НАДН), используемое на данном биосинтетическом пути, всегда превосходит то минимальное количество свободной энергии, которое требуется для превращения предшественника в биосинтетический продукт.

Центральным биосинтетическим путем является образование глюкозы из неуглеводных предшественников. У всех высших животных и человека биосинтез глюкозы абсолютно необходимый процесс. Глюкоза крови служит единственным или главным источником энергии для нервной системы (в том числе и для мозга), а также для почек, семенников, эритроцитов и для всех тканей эмбриона. У человека один только мозг потребляет 120 г глюкозы в сутки.

Образование глюкозы из неуглеводных предшественников называется глюконеогенезом (образование нового сахара).

В процессе глюконеогенеза глюкоза синтезируется из лактата, пирувата, глицерола, и большинства аминокислот, из промежуточных продуктов цикла лимонной кислоты.

Глюконеогенез протекает в печени и значительно менее интенсивно – корковом веществе почек.

При гликолизе глю превращается в пируват, при глюконеогенезе пируват превращается в глюкозу. Глюконеогенез это не обращение гликолиза, т.к. в гликолизе есть 3 необратимые стадии, катализируемые гексокиназой, фосфофруктокиназой и пируваткиназой.

Пути глюконеогенеза обходят эти 3 необратимые реакции гликолиза при помощи следующих новых этапов:

1. Фосфоенолпируват ббразуется из пирувата через оксалоацетат.

Первый этап в обходной последовательности реакций катализируется митохондриальной пируваткарбоксилазой. Этот биотинзависимый фермент катализирует образование оксалоацетата из пирувата:

Пируват + СО₂+АТФ оксалоацетат+АДФ+Рн

Пируваткарбоксилаза – регуляторный фермент; в отсутствии ацетил-КоА который служит для нее положительным регулятором, она почти полностью лишена активности.

Оксалоацетат, образующийся в митохондриях из пирувата обратомо восстанавливается за счет НАДН с образованием малата:

Митох. НАДН+Н⁺ + Оксалоацетат НАД+малат

Малат из митохондрий поступает в цитозоль. В цитозоле малат под действием цитозольной НАД-зависимой малатдегидрогеназы превращается в оксалоацетат:

Цитозоль Малат + НАД⁺ Оксалоацетат+ НАДН+Н⁺

Дальше оксалоацетат под действием фосфоенолпируваткарбоксикиназы превращается в фосфоенолпируват:

Оксолоацетат+ГТФ ФеП+СО₂ +ГДФ

Донором фосфата в этой реакции служит ГТФ – гуанозинтрифосфат.

2. Вторая реакция гликолиза, которая не может использоваться для глюконеогенеза – это реакция фосфорилирования фру-6-ф, катализируемая фосфофруктокиназой.

В глюконеогенезе действует обходной путь с участием фруктозодифосфатазы, которая катализирует необратимый гидролиз фру-1,6-дф с образованием фру-6-ф

Фру-1,6-дф фру-6-ф

Фруктозодифосфотаза – регуляторный фермент, нуждается в ионах Mg²⁺ . Ингибируется АМФ, активируется АТФ.

3. Третьей обходной реакции в синтезе глюкозы является дефосфорилирование глю-6-ф с образованием глю.

Дефосфорилирование осуществляется под действием глюкозы-6-фосфатазы:

Глю-6-ф глю

Глюконеогенез требует значительных затрат энергии. Стадии глюконеогенеза, требующие затрат энергии:

Пир + СО₂ + АТФ оксалоацетат + АДФ + Фн

Оксалоацетат + ГТФ ФЕП + СО₂ + ГДФ

3ФГК 1,3ФГК

На каждую молекулу глю потребуется 6 высокоэнергетических фосфатных групп – 4 от АТФ и 2 от ГТФ.

Кроме того, для восстановительных этапов требуется 2 молекулы НАДН:

1,3 ДФГК + НАДН + Н⁺ 3ФГА + НАД⁺

Суммарная реакция:

2Пир + 4 АТФ + 2 ГТФ + 2 НАДН + 2 Н⁺ + 4 Н₂О Глю + 2 НАД⁺ + 4 АДФ + 2 ГДФ + 6 Рн

Главную роль из метаболитов ЦТК, используемых в глюконеогенезе играют: цитрат, изоцитрат, -кетоглутарат, сукцинат, фумарат, малат.

Важно отметить, что в норме ацетил-КоА не используется как предшественник глю, так как он не может превратиться в пируват.

В глюкозу могут превращаться глюкогенные аминокислоты: аланин, глутамат, аспартат, которые превращаются соответственно в пируват, оксалоацетат и -кетоглутарат:

Глукогенные аминокислоты

Превращаются в пир: ала, сер, цис, гли

Превращаются в оксалоацетат: асп, асн

Превращаются в сукцинил-КоА: вал, тре, мет

Превращаются в -кетоглутарат: глу, глн, про, арг, гис.

Поставляют атомы углерода для синтеза глю и кетоновых тел: фен,тир, изолей, лиз, три

Синтез глю из малых молекул предшественников идет в период после восстановления после мышечной нагрузки, например после бега на сто метров. В этом случая в качестве источника энергии служит гли, который окисляется с образованием лак и выделением АТФ. Т.к. кислорода в тканях не хватает, лактат не может подвергаться дальнейшим превращениям и поступает в кровь.

Закончивший стометровку спринтер в начале дышит тяжело, но постепенно его дыхание выравнивается и становится нормальным. К этому периоду возвращается к норме и содержание лак. За время восстановления (до 30 мин) лактат удаляется из крови в печень и превращается в процессе гликонеогенеза в глю крови. Глю крови возвращается в мышцы:

Алкоголь тормозит глюконеогенез.

Потребление больших количеств алкоголя резко тормозит глюконеогенез в печени, вследствие чего понижается содержание глю в крови, т.е. возникает гипогликемия. Это особенно сказывается после тяжелой физической нагрузки и на голодный желудок, уровень глю может понизиться до 40 и даже 30% от нормы. Гипогликемия не благоприятно сказывается на функции мозга. Она особенно опасна для тех областей мозга, которые контролируют температуру тела. Температура тела может понизиься на 2⁰С. Старый обычай, предписывающий давать спасенным на море или в пустыне голодным или обессилившим людям водку, физиологически неоправдан и даже опасен; в таких случаях следует давать глю.