Энергетический баланс ЦТК, его биологическое значение
(информацию читай «Водороддонорная функция»).
Регуляция цикла Кребса.
Скорость реакций цитратного цикла зависит от скорости тканевого дыхания митохондрий, от интенсивности процесса окислительного фосфорилирования. А скорость дыхания и фосфорилирования в свою очередь зависит от того, как быстро расходуется АТФ (или увеличивается концентрация АДФ).
Определяющим фактором регуляции активности цикла Кребса является дыхательный контроль, т.е. отношение АТФ/АДФ: чем меньше это отношение, тем интенсивнее идет дыхание, обеспечивающее выработку АТФ. При увеличении концентрации АДФ увеличивается скорость дыхания, т.е. интенсивнее потребляются субстраты цикла Кребса и скорость протекания реакций этого цикла увеличивается.
Активность цитратного цикла зависит также от соотношения НАД+/НАДН, что в свою очередь зависит от скорости потребления АТФ. При недостатке НАД+ активность дегидрогеназ цикла будет снижаться, поскольку именно окисленная форма кофермента является акцептором водорода субстратов цикла Кребса.
Кроме такой общей регуляции, зависящей от функционирования дыхательной цепи, имеется регуляция на уровне самого цикла. Так, АТФ может ингибировать цитратсинтазу по аллостерическому механизму. Основным регуляторным ферментом является изоцитратдегидрогеназа. Она аллостерически ингибируется АТФ и НАДН, а активируется АДФ. Сукцинатдегидрогеназа ингибируется избытком оксалоацетата.
Лекция № 17.
Раздел 2. «ОБМЕН ВЕЩЕСТВ».
ТЕМА «ОБМЕН УГЛЕВОДОВ».
1. Функции углеводов (выучить самостоятельно).
- Переваривание и всасывание углеводов.
- Распад гликогена.
- Синтез гликогена.
Источник углеводов в питании человека – преимущественно пища растительного происхождения. Мучные изделия, крупы и картофель поставляют крахмал, пищевой сахар и свекла – сахарозу, злаки, в частности ячмень, − мальтозу, фрукты и мед – фруктозу и глюкозу. Из продуктов животного происхождения заметный источник углеводов (лактозы) – молоко. Лактоза содержится в кондитерских изделиях, в вареньях, куда ее добавляют как средство, предупреждающее осахаривание. Суточная потребность 400 – 500 г.
Процесс переваривания углеводов начинается в ротовой полости, так как в состав слюны входят ферменты – амилаза, расщепляющая крахмал и гликоген путем гидролиза, а также мальтаза, расщепляющая дисахарид мальтозу на два остатка глюкозы. Но основное место переваривания углеводов – это тонкий кишечник, куда поступает α-амилаза в составе сока поджелудочной железы. Эта гидролаза расщепляет 1,4-гликозидные связи с образованием декстринов и затем мальтозы. Амило-1,6-гликозидные связи (места ветвления молекулы крахмала) гидролизуют ферменты амило-1,6-гликозидазы. Образующаяся мальтоза расщепляется кишечной мальтазой на 2 молекулы глюкозы. Сахараза превращает сахарозу и фруктозу, а лактаза воздействует на лактозу, которая распадается на глюкозу и галактозу. Лактаза в кишечнике отсутствует и некоторые люди не могут «переносить» молоко и некислые молочные продукты: при их употреблении возникают боли в животе, метеоризм и понос. У грудных детей лактаза имеется, но с прекращением грудного вскармливания активность фермента снижается. Если у детей превращение кормления может вызвать непереносимость молока, можно рекомендовать кисломолочные продукты (в них под действием лактазы микроорганизмов лактоза расщепляется). Конечный продукт полного переваривания углеводов – глюкоза, галактоза и фруктоза всасываются из кишечника в кровь различными методами – либо способом облегченной диффузии с участием специальных переносчиков, либо путем активного транспорта с участием переносчика за счет функционирования Nа+, К+, АТФ-азы (т.е. с затратой энергии АТФ). Пентозы всасываются путем простой диффузии.
Из углеводов только клетчатка не гидролизуется в тонкой кишке из-за отсутствия необходимых ферментов. Она поступает в толстую кишку, где распадается под действием ферментов (целлюлаз) микроорганизмов. Содержимое разрушенных растительных клеток используется для жизнедеятельности самих микроорганизмов. Часть непереваренной клетчатки участвует в формировании кала и выводится из организма.
Поступающая из просвета кишечника глюкоза с кровью воротной вены попадает в печень, где часть ее задерживается, а часть через общий кровоток попадает в клетки других органов и тканей. Транспорт глюкозы в клетки зависит от гормона поджелудочной железы инсулина. При пищеварении концентрация глюкозы в крови повышается (алиментарная гипергликемия) и это стимулирует секрецию гормона в кровь. Инсулин увеличивает проницаемость плазматической мембраны клеток для глюкозы из крови в клетки. Поступление глюкозы в клетки зависит от инсулина практически во всех органах. Важными исключениями являются мозг и печень: скорость поступления глюкозы в клетки этих органов определяется ее концентрацией в крови.
Голодание в течение суток приводит к полному исчезновению запасов гликогена в печени, а при интенсивной физической нагрузке гликоген исчезает значительно быстрее.
Основной путь распада гликогена в клетках – фосфоролитический и происходит он в период между приемами пищи. Процесс распада гликогена – гликогенолиз. Гликогенфосфорилаза катализирует отщепление глюкозного остатка в форме глюкозо-1-фосфата (распадается 1,4–гликозидная связь). Благодаря фосфоглюкомутазе образуется глюкозо-6-фосфат. В печени и почках имеется фермент глюкозо-6-фосфатаза, способный отщеплять остаток фосфорной кислоты от глюкозо-6-фосфата (в отличие от мышц).
Нарисовать схему.
Печень – это орган, который поддерживает нормогликемию благодаря способности гепатоцитов образовывать свободную глюкозу, которая через мембрану гепатоцита может проникать в кровь (в отличие от глюкозо-6-фосфата). Мышцы такой способностью не обладают.
Образовавшийся глюкозо-6-фосфат при распаде гликогена используется мышцами для собственных нужд. Главным регуляторным ферментом гликогенолиза является гликогенфосфорилаза. Она может находится в двух формах: фосфорилазы «а» (активная, фосфорилированная) и фосфорилазы «в» (неактивная, дефосфорилированная).
Превращение фосфорилазы «в» в «а» катализируется киназой фосфорилазы «в», а киназа должна активироваться протеинкиназой зависимой от цАМФ. цАМФ является внутриклеточным посредником при действии большого числа гормонов белково-пептидной природы. цАМФ образуется из АТФ под действием аденилатциклазы, находящегося на внутренней поверхности цитоплазматической мембраны клетки.
Активация аденилатциклазы адреналином и глюкагоном приводит к образованию цАМФ, запускающего каскадный механизм фосфорилирования ключевых ферментов: гликогенсинтетазы и гликогенфосфорилазы.
В результате образуется неактивная гликогенсинтаза Д и активная фосфорилаза «а» − в этих условиях будет осуществляться распад гликогена.
Мышечный гликоген используется в качестве источника глюкозы для самой клетки. Гликоген печени необходим для поддержания физиологической концентрации глюкозы в крови.
Синтез гликогена происходит в период пищеварения (в течение 1-2 часов после приема углеводной пищи) и начинается с активации глюкозы под действием гексокиназы или глюкокиназы, ионов Мg2+ с образованием глюкозо-6-фосфата, который под действием фосфоглюкомутазы превращается в глюкозо-1-фосфат. Глюкозо-1-фосфат с молекулой уридинтрифосфата образует активную форму глюкозы – УДФ-глюкозу. Эта реакция происходит под действием фермента УДФ-глюкозопирофосфорилазы. Под действием гликогенсинтазы УДФ-глюкоза присоединяет остаток гликогена, называемый «затравочным» гликогеном (это молекулы, которые присутствуют в клетке даже при длительном голодании организма) и линейная цепь гликогена наращивается. Под действием гликогенсинтазы образуются 1,4-гликозидные связи; точки ветвления в молекуле гликогена (1,6-гликозидные связи) образует ветвящий фермент амило-1,4 и 1,6-трансгликозидаза.
Нарисовать схему.
Ключевую роль в регуляции синтеза гликогена играет гликогенсинтаза. Если в процесс регуляции включается гормон инсулин, то под действием инсулина включается механизм дефосфорилированияключевыхферментов и появляется гликогенсинтаза I (активная) и гликогенфосфорилаза «в» (неактивная). При этих условиях происходит синтез гликогена.
Лекция № 18.
ТЕМА «ОБМЕН УГЛЕВОДОВ».
1. Гликолиз – химизм, биологическое значение, энергетический баланс.
2. Аэробное окисление глюкозы. Энергетический баланс аэробного окисления 1 молекулы глюкозы.
3. Пентозофосфатный путь обмена углеводов.
Гликолиз – химизм, биологическое значение,
энергетический баланс.
Глюкоза играет главную роль в метаболизме, так как именно она является основным источником энергии. Глюкоза может превращаться практически во все моносахариды, однако возможно и обратное превращение. Основные пути метаболизма глюкозы:
û катаболизм глюкозы – гликолиз;
û синтез глюкозы – глюконеогенез;
û депонирование и распад гликогена;
û синтез пентоз – пентозофосфатные пути.
Гликолиз – это серия реакций, в результате которых глюкоза распадается на 2 молекулы пирувата (аэробный гликолиз) или две молекулы лактата (анаэробный гликолиз).
Все реакции гликолиза (10-11 реакций) протекают в цитозоле и характерны для всех органов и тканей.
Главным путем распада глюкозы, ведущим к освобождению энергии, является дихотомический путь. В реакциях этого пути получить из глюкозы энергию можно двумя путями:
1) Путем анаэробного распада глюкозы до молочной кислоты. Этот процесс называется гликолизом. Многоступенчатые реакции можно выразить суммарным уравнением: глюкоза → 2лактат + 134 кДж. Часть этой энергии расходуется на образование 2 молекул АТФ, остальная рассеивается в виде тепла.
2) Путем аэробного распада глюкозы до конечных продуктов – СО2 и Н2О. Глюкоза + 6О2 → 6СО2 + 6Н2О + 2850 кДж. При этом 60% образующейся энергии запасается в виде АТФ. Аэробный путь экономически выгоднее, при равных количествах используемой глюкозы, этот путь дает почти в 20 раз больше АТФ. Аэробный распад глюкозы осуществляется почти всеми тканями нашего организма, исключение – эритроциты, их жизнедеятельность поддерживается путем гликолиза.
Для злокачественных клеток основной путь получения энергии – также гликолиз. Много лактата образуется в злокачественной опухоли, которая является своеобразной «ловушкой» глюкозы. Злокачественные клетки крайне низко снабжаются кислородом и усиленно потребляют глюкозу, чтобы выработать необходимое для их бурной жизнедеятельности количество энергии.
Цепь реакций гликолиза можно расчленить на два звена. В первом звене осуществляется распад глюкозы на 2 молекулы по 3 углеродных атома каждая (подготовительная стадия). В этом отрезке цепи еще нет поставки энергии, имеется отрицательный энергетический баланс в результате расходования энергии АТФ на реакции фосфорилирования. Во втором звене гликолиза (гликолитическая оксидоредукция) осуществляется окисление 3-х углеродных молекул в пируват, который будет восстанавливаться в лактат.
Реакции гликолиза.
1-я реакция – образование глюкозо-6-фосфата.
2-я реакция – изомеризация глюкозо-6-фосфата с образованием фруктозо-6-фосфата. Эта реакция обратима и катализируется изомеразой.
3-я реакция – фосфорилирование фруктозо-6-фосфата с образованием фруктозо-1,6-бисфосфата. В этой реакции происходит значительное падение свободной энергии, поэтому она необратима.
Фосфофруктокиназа – Аллостерический фермент, имеет сложную четвертичную структуру. Его аллостерическими активаторами являются АМФ, АДФ, фруктозо-6-фосфат. Угнетают фермент повышенные концентрации АТФ и цитрат. АТФ вначале используется как субстрат этой реакции, а затем, связываясь с аллостерическим центром фермента, прекращает реакцию. В последние годы было установлено, что важным аллостерическим регулятором фосфофруктокиназы является фруктозо-1,6-дифосфат.
4-я реакция – распад фруктозо-1,6-дифосфата на 2 триозы:
альдолаза
фруктозо-1,6-фф 3-ФГА + ФДА. Реакция обратима. Фермент – альдолаза, так как образующийся алкоголь (фосфодиоксиацетон) и 3-фосфоглицериновый альдегид, обратимо связываясь, образуют «альдол», т.е. фруктозо-1,6-бисфосфат.
Определение активности альдолазы используют в энзимной диагностике при заболеваниях, связанных с повреждением или гибелью клеток, так, при остром гепатите активность этого фермента может увеличиваться в 5-20 раз, при инфаркте миокарда – в 3-10 раз. Образующийся 3-ФГА расходуется в дальнейших реакциях гликолиза, поэтому равновесие реакции смещается в сторону распада фруктозо-1,6-дифосфата. Превращение фосфодиоксиацетона и 3-ФГА осуществляет фермент триозофосфатизомераза.
5-я реакция –образование 1,3-дифосфоглицерата. В этой реакции при окислении 3-ФГА водород альдегидной группы будет переноситься на НАД+. Энергии выделяется достаточно и образующийся 1,3-дифосфоглицерат заключает в себя макроэргическую вязь. Реакция катализируется дегидрогеназой 3-ФГА по суммарному уравнению:
дегидрогеназа
3-ФГА + НАД+ + Фн 1,3-дифосфоглицерат + НАДН + Н+.
Фермент состоит из 4-х одинаковых субъединиц, коферментом его является НАД+. Реакция обратима. С этого момента количество последующих продуктов нужно удвоить, так как в предыдущей реакции образовалось 2 молекулы триозы.
6-я реакция – образование АТФ в результате субстратного фосфорилирования:
фосфоглицераткиназа
1,3-дифосфоглицерат + АДФ АТФ + 3-фосфоглицерат.
Эта реакция сопровождается выделением значительного количества свободной энергии, поэтому равновесие ее сдвинуто вправо. При избытке 3-фосфоглицерата реакция может быть обратимой. В данной реакции происходит фосфорилирование АДФ за счет энергии макроэргического субстрата – 1,3-дифосфоглицериновой кислоты.
7-я реакция – изомеризация 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат.
8-я реакция – образование фосфоенолпирувата. На этой стадии, катализируемой енолазой, происходит отщепление молекулы воды и перераспределение энергии внутри молекулы, при этом фосфат во втором положении переходит в макроэргическое состояние.
9-я реакция – образование АТФ в результате субстратного фосфорилирования:
пируваткиназа Мg2+
фосфоенолпируват + АДФ пируват + АТФ.
Это вторая реакция субстратного фосфорилирования в гликолизе; здесь фосфоенолпируват используется для образования АТФ. Реакция необратима, так как протекает в большим падением свободной энергии.
10-я реакция – образование лактата. Эта реакция катализируется ЛДГ и обратима.
Итак, гликолиз завершается образованием лактата. В мышцах молочная кислота не используется – она поступает с током крови в печень, где вновь превращается в пируват. Полезный энергетический выход гликолиза – 2 молекулы АТФ.
Глюкоза может окисляться по дихотомическому пути и в аэробных условиях. Цепь реакций аэробного распада можно расчленить на несколько основных звеньев:
а) дихотомический распад глюкозы до стадии пирувата, полностью совпадающий с реакциями гликолиза;
б) окислительное декарбоксилирование пирувата, с образованием ацетил-КоА;
в) «сгорание» ацетил-КоА в цикле Кребса, тесно связанного с дыхательной цепью митохондрий, где в результате окислительного фосфорилирования каждый моль ацетата способствует образованию 12 молекул АТФ.