2 курс / Биохимия / БИОХИМИЯ

Дигидролипоилдегидрогеназа окисляет восстановленную липоевую кислоту.

ФАД!Н2 + НАД+ ФАД + НАД!Н + Н+

Протоны и электроны с восстановленного НАД идут в дыхательную цепь ферментов и переносятся на кислород с образованием воды. В результате образуются 3АТФ. Образовавшийся ацетил-КоА вступает в

цикл трикарбоновых кислот.

Цикл трикарбоновых кислот

Цикл был открыт в 1937 г. английским биохимиком Г. Кребсом, за что в 1953 г. он был удостоен Нобелевской премии. В последующие годы были выделены и изучены ферменты, осуществляющие промежуточные реакции. Они локализованы в матриксе митохондрий или прикреплены к внутренней поверхности внутренней мембраны.

Ацетил-КоА вступает в реакцию конденсации со щавелевоуксус-

ной кислотой при участии цитратсинтазы с присоединением воды. В результате выделяется HS–КоА и образуется лимонная кислота. Цитрат-

синтаза Ã регуляторный фермент: активируется субстратом, ингибируется АТФ и НАД!Н + Н+.

142

Под действием аконитатгидратазы от цитрата отщепляется вода, образуется цис-аконитовая кислота, к которой этот же фермент присоединяет воду и получается изоцитрат (субстрат II рода). Под действием

изоцитратдегидрогеназы, имеющей кофермент НАД, происходит окисление изоцитрата в щавелевоянтарную кислоту. Кофермент НАД восстанавливается и отдает протоны и электроны в полную дыхательную цепь. Образуется вода и три молекулы АТФ. Изоцитратдегидрогеназа

– также регуляторный фермент: активируется АДФ, ингибируется АТФ и НАДН+Н+.

Образовавшийся оксалсукцинат является неустойчивым соединением и сразу декарбоксилируется, превращаясь в -кетоглутаровую кислоту. На -кетоглутарат действует -кетоглутаратдегидрогеназный по-

лиферментный комплекс, который идентичен по строению пируватдегидрогеназному комплексу и имеет такие же коферменты. Происходит окислительное декарбоксилирование, и образуется сукцинил-КоА и НАД!Н+Н+, который отдает протоны и электроны в полную дыхатель-

ную цепь.

В сукцинил-КоА имеется связь, богатая энергией. Под действием

сукцинаттиокиназы при участии ортофосфата происходит перенос макроэргической связи на ГДФ. Выделяется НS-КоА. Образовавшаяся мо-

143

лекула ГТФ вступает в реакцию перефосфорилирования с АДФ при участии нуклеозиддифосфаткиназы, и выделяются молекула АТФ и ГДФ. Молекулы ГДФ могут снова фосфорилироваться. Это субстрат-

ное фосфорилирование.

Сукцинатдегидрогеназа (флавиновый фермент) окисляет сукцинат в фумаровую кислоту. Это регуляторный фермент: активируется субстратом (т.е. сукцинатом), фосфатом, ингибируется щавелевоуксусной кислотой. Простетическая группа сукцинатдегидрогеназы ФАД восстанавливается и отдает протоны и электроны в неполную дыхательную цепь, в результате образуются 2 АТФ.

В отличие от других ферментов цикла, находящихся в водном матриксе митохондрий, сукцинатдегидрогеназа прочно связана с внутренней мембраной.

Фумарат гидратируется фумаратгидратазой с образованием яблочной кислоты, которая окисляется малатдегидрогеназой в щавелевоуксусную кислоту.

Кофермент малатдегидрогеназы НАД восстанавливается и отдает протоны и электроны в полную дыхательную цепь. Образуются 3АТФ. В итоге возникает щавелевоуксусная кислота, которая вновь может вступить в конденсацию с ацетил-КоА с образованием цитрата, т.е.

замкнулся цикл. Поэтому превращения и носят название цикла Кребса или трикарбоновых кислот, в котором небольшое количество щавелевоуксусной кислоты обеспечивает окисление больших количеств аце- тил-КоА.

Значение цикла трикарбоновых кислот

1.Цикл представляет основной общий путь окисления ацетил- КоА-продукта распада углеводов, липидов, белков путем последова-

тельных декарбоксилирований и дегидрирований.

2.Цикл является третьей стадией катаболизма и первой – анаболизма и связывает эти процессы, поэтому называется амфиболической стадией.

144

3.Цикл является генератором протонов и электронов для дыхательных цепей, транспорт по которым сопровождается аккумулированием энергии в макроэргических связях АТФ (11 АТФ образуются за счет окислительного фосфорилирования).

4.Цикл выполняет энергетическую функцию, связанную с образованием 1 АТФ в процессе субстратного фосфорилирования.

5.Через цикл осуществляется взаимосвязь обменов углеводов, липидов и аминокислот.

О жизненно важной роли цикла трикарбоновых кислот свидетельствует и тот факт, что практически неизвестны генетические дефекты его ферментов. Вероятно, такие нарушения несовместимы с развитием и жизнью.

Лекция 11

ТРАНСМЕМБРАННЫЙ ТРАНСПОРТ ГЛЮКОЗЫ

Транспорт моносахаридов из просвета кишечника в клетки слизистой оболочки может осуществляться путем облегченной диф-

фузии и активного транспорта. При активном транспорте глюкоза и Na+ проходят вместе путем симпорта, связываясь с разными участками белка-переносчика. При этом Na+ поступает в клетку под влиянием

электрохимического градиента и “тащит” глюкозу за собой. Следовательно, чем больше градиент концентрации Na+, тем больше поступление глюкозы. Если концентрация Na+ во внеклеточной жидкости

уменьшается, транспорт глюкозы подавляется. Градиент концентрации Na+, являющийся движущей силой этого симпорта, создается работой

Na+, К+-насоса (вторично-активный транспорт).

Глюкоза из клеток кишечника затем перемещается во внеклеточную жидкость и далее в кровь с помощью облегченной диффузии.

Поступающая из 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.

Потребление глюкозы клетками из кровотока происходит так-

же путем облегченной диффузии при участии специальных белков-

транспортеров. Следовательно, скорость трансмембранного потока глюкозы зависит только от градиента ее концентрации. Исключением являются клетки мышц и жировой ткани, где облегченная диффузия регулируется инсулином (гормон поджелудочной железы). В отсутствие

145

инсулина плазматическая мембрана этих клеток непроницаема для глюкозы, т.к. в ней нет белков-переносчиков для глюкозы. Белки-

переносчики (транспортеры глюкозы – ГЛЮТ) обнаружены во всех тканях. Существует 5 типов ГЛЮТ, которые пронумерованы по порядку их обнаружения.

Все 5 типов ГЛЮТ имеют сходную первичную структуру. ГЛЮТ-1 служит для обеспечения стабильного потока глюкозы в

мозг. В других тканях он поставляет глюкозу в клетки, когда они находятся в состоянии покоя.

ГЛЮТ-2 обнаружен в клетках органов, выделяющих глюкозу в кровь. Именно при участии ГЛЮТ-2 глюкоза переходит в кровь из эн-

тероцитов после ее всасывания в кишечнике.

ГЛЮТ-3 обладает большим, чем ГЛЮТ-1, сродством к глюкозе.

Он также обеспечивает постоянный приток глюкозы к клеткам нервной ткани.

ГЛЮТ-4 – главный переносчик глюкозы в мышцах и адипоцитах. ГЛЮТ-5 встречается главным образом в клетках тонкой кишки.

Его функции известны недостаточно.

Все типы ГЛЮТ могут находиться как в плазматической мембране, так и в цитозольных везикулах. В отсутствии инсулина ГЛЮТ-4 (и в меньшей мере ГЛЮТ-1) почти полностью находятся в цитоплазме.

Влияние инсулина на такие клетки приводит к перемещению везикул, содержащих ГЛЮТ, к плазматической мембране и их слиянию с ней, после чего возможен облегченный транспорт глюкозы в эти клетки. После снижения концентрации инсулина в крови белки-транспортеры

глюкозы снова перемещаются в цитозоль.

В клетки печени глюкоза проходит при участии ГЛЮТ-2, неза-

висимого от инсулина. Концентрация глюкозы в гепатоцитах в период пищеварения повышается соответственно ее уровню в крови воротной вены. В этих условиях фосфорилирование глюкозы в гепатоцитах обеспечивается свойствами глюкокиназы, которая имеет высокое значение Km и не ингибируется продуктом реакции. Кроме того, ГЛЮТ-2 также

146

имеет высокую Кm. Следовательно, скорость поступления глюкозы в ге-

патоциты и ее фосфорилирование увеличиваются во время пищеварения пропорционально повышению ее концентрации в крови. Хотя инсулин и не влияет на транспорт глюкозы, он усиливает приток глюкозы в гепатоцит в период пищеварения косвенным путем, индуцируя синтез глюкокиназы и ускоряя тем самым фосфорилирование глюкозы.

Транспорт глюкозы из первичной мочи в клетки канальцев

происходит путем вторично-активного транспорта подобно тому, как

это происходит с люминальной стороны кишечника в клетки. Благодаря этому глюкоза может поступать в клетки канальцев даже в том случае, если ее концентрация в первичной моче меньше, чем в клетках. Глюкоза реабсорбируется из первичной мочи почти полностью (на 99%) в конечной части канальцев.

Лекция 12

ОБМЕН УГЛЕВОДОВ. АЭРОБНЫЙ РАСПАД ГЛЮКОЗЫ

Углеводы, как и белки и липиды, являются одними из важнейших соединений живых организмов, хотя и находятся в тканях в значительно меньшем количестве и составляют не более 2% от сухой массы тела (в организме животных и человека).

Все углеводы условно делят на две группы:

1.Углеводы с преимущественно энергетической функцией. К

ним относится глюкоза, являющаяся транспортной формой углеводов у животных организмов (содержание в крови составляет 3,65-6,11

ммоль/л). Запасным углеводом животных является полисахарид гликоген, депонируемый в печени (содержание на сырую массу ткани до 5%, абсолютное количество до 150 г) и мышечной ткани (до 2%). Запасным углеводом растений является полисахарид крахмал, а транспортной формой – сахароза.

2.Углеводы с преимущественно структурной функцией. К

этой группе относятся гликопротеины и гликолипиды, гетерополисахариды – гликозаминогликаны, у растений – клетчатка.

Углеводы выполняют очень важные функции:

1.Энергетическая – окисление углеводов поставляет 60-70%

всей энергии, необходимой для организма.

2.Структурная – углеводы входят в состав мембран клеток; гликозаминогликаны участвуют в формировании соединительной ткани; пентозы входят в состав нуклеиновых кислот, нуклеотидов, кофак-

147

торов ферментов.

3.Гликопротеины, гликолипиды выполняют роль рецепторов и участвуют в специфических взаимодействиях.

4.Углеводные компоненты имеются в иммуноглобулинах, вы-

полняющих защитную функцию.

5.Гепарин, относящийся к гликозаминогликанам, активирует липопротеинлипазу; являясь антикоагулянтом, входит в противосвертывающую систему.

6.Пластическая – углеводы легко превращаются в соединения других классов: липиды, аминокислоты.

Обмен углеводов включает ряд последовательно протекающих процессов: поступление углеводов в организм с пищей, переваривание сложных углеводов в желудочно-кишечном тракте, всасывание моноса-

харидов в кишечнике, транспорт их к органам и тканям, синтез углеводов в тканях, распад углеводов в тканях и выделение из организма продуктов распада, образование из углеводов в организме других веществ.

Переваривание углеводов

Углеводы играют важную роль в питании человека и животных, составляя 60-70% пищевого рациона у нас и до 90% у травоядных животных. Сложные углеводы – поли- и дисахариды в пищеварительном

тракте человека и животных подвергаются расщеплению до моносахаридов с участием ряда ферментов.

Вротовой полости начинается расщепление полисахаридов крахмала и гликогена. В слюне содержится фермент -амилаза, расщепляющая -1,4-гликозидные связи внутри молекул полисахаридов (амилозы, амилопектина, гликогена) с образованием лимит-декстринов

или при длительном действии – мальтозы. Она действует в нейтральной

ислабощелочной среде, активируется ионами хлора. Кроме -амилазы в

слюне есть фермент мальтаза, которая расщепляет мальтозу на две молекулы глюкозы. Однако пищевой комок в ротовой полости долго не задерживается, и поэтому переваривание полисахаридов здесь только начинается и очень незначительно.

Вжелудке сок имеет сильно кислую реакцию, вследствие чего амилаза слюны инактивируется. Действие ее может продолжаться только внутри пищевого комка, пока туда не проник желудочный сок. Собственных ферментов, переваривающих углеводы, в желудочном соке нет.

Переваривание основной массы углеводов происходит в двенадцатиперстной кишке под действием ферментов панкреатического со-

ка. В нем содержатся -амилаза (как и амилаза слюны, расщепляющая

-1,4- гликозидные связи), амило-1,6-гликозидаза и олиго-1,6-

148

гликозидаза (терминальная декстриназа), гидролизующие -1,6-

гликозидные связи.

В тонком кишечнике окончательное переваривание углеводов происходит пристеночно – в щеточной кайме на поверхности слизистой кишечника при участии ферментов кишечного сока: мальтазы, расщепляющей мальтозу на две молекулы глюкозы ( -1,4-гликозидная связь); сахаразы, расщепляющей сахарозу на фруктозу и глюкозу; лактазы,

расщепляющей лактозу на глюкозу и галактозу; изомальтазы, расщепляющей изомальтозу на две молекулы глюкозы ( -1,6-гликозидная

связь); трегалазы, расщепляющей трегалозу (грибной сахар) на две молекулы глюкозы ( -1,1-гликозидная связь). Частично этот процесс мо-

жет идти в просвете кишечника, куда секретируются ферменты.

Таким образом, конечными продуктами переваривания углеводов являются моносахариды: глюкоза, фруктоза и галактоза, которые всасываются стенкой кишечника.

Всасывание моносахаридов происходит с разной скоростью (по уменьшению скорости): галактоза > глюкоза > фруктоза > манноза > ксилоза > арабиноза. Всасывание происходит путем облегченной диффузии, но главным механизмом является активный транспорт с помощью Na-зависимой транспортной системы с затратой АТФ за счет градиента концентрации ионов натрия, создаваемого Na+ ,К+ -АТФ-азой.

С пищей в организм человека и животных в большом количестве поступает полисахарид клетчатка (целлюлоза), в которой остатки глюкозы соединены -гликозидной связью. Ферментов, расщепляющих этот

тип связи, у человека и животных нет, поэтому клетчатка доходит до толстого кишечника в неизмененном виде. В толстом кишечнике у человека и особом отделе желудка (рубце) у травоядных животных имеются микроорганизмы, выделяющие ферменты, которые сбраживают клетчатку: целлюлаза – расщепляет целлюлозу с образованием дисахарида целлобиозы; целлобиаза – расщепляет целлобиозу до глюкозы, которая далее ферментами бактерий расщепляется до уксусной, молочной, пировиноградной кислот, которые усваиваются.

У человека присутствие клетчатки в пище имеет большое значение, так как она усиливает перистальтику кишечника, создавая давление на стенки кишечника, и способствует пищеварению; адсорбирует воду и удерживает ее в полости кишечника; необходима для формирования каловых масс; адсорбирует некоторые токсические вещества, а также радионуклиды; используется микрофлорой кишечника.

Всосавшиеся моносахариды (около 90%) с кровью по системе воротной вены поступают в печень, где фруктоза и галактоза превращаются в глюкозу. Эти превращения моносахаридов могут начаться уже в клетках слизистой кишечника. Около 10% моносахаридов всасывается в лимфу, с которой поступают в кровь. В печени часть глюкозы использу-

149

ется с энергетическими целями, подвергаясь окислению, часть депонируется в виде гликогена, часть подвергается превращениям с использованием на синтез других соединений (жирных кислот, аминокислот, гетерополисахаридов, глюкуроновой кислоты и др.), часть разносится кровью к тканям. Содержание глюкозы в крови в норме колеблется в пределах 3,65-6,11 ммоль/л и поддерживается на этом уровне с помо-

щью ряда систем. В мышечной ткани, как и в печени, глюкоза депонируется в виде гликогена.

Глюкоза как важнейший метаболит углеводного обмена. Общая схема источников расходования глюкозы в организме. Ключевая роль глюкозо-6-фосфата в метаболизме углеводов.

Глюкоза является основным метаболитом и транспортной формой углеводов в организме человека и животных. Ее источником являются углеводы пищи, депонированный гликоген, процесс глюконеогенеза в печени и почках (синтез из неуглеводных предшественников). Чтобы глюкоза могла вступить в те или иные превращения, она должна фосфорилироваться с образованием фосфорного эфира – глюкозо-6-фосфата,

который далее превращается по различным путям.

Основными путями превращений глюкозы является окисление ее с энергетическими целями (в аэробных и анаэробных условиях), депонирование в виде гликогена, превращение в другие углеводы и соединения других классов.

Распад углеводов

Распад углеводов может происходить без участия кислорода (называется анаэробным) и с его участием. Распад углеводов с использо-

150

ванием молекулярного кислорода как конечного акцептора отщепляемых от субстрата атомов водорода и образованием конечных продуктов в виде Н2О и СО2 называется аэробным. Оба эти процесса тесно взаи-

мосвязаны.

Гликолиз – это серия реакций, в результате которых глюкоза распадается на две молекулы пирувата (аэробный гликолиз) или две молекулы лактата (анаэробный гликолиз). Первые десять реакций аэроб-

ного и анаэробного гликолиза до образования пировиноградной кислоты совпадают, идут при участии одних и тех же ферментов и характер-

ны для всех органов и тканей. На стадии образования пирувата эти пути расходятся. Аэробный распад является основным путем катаболизма глюкозы.

Аэробный распад глюкозы включает реакции аэробного гликолиза и последующее окисление пирувата в реакциях катаболизма (окислительное декарбоксилирование пирувата, ЦТК).

Анаэробный распад включает те же реакции специфического пути распада глюкозы до пирувата, но с последующим превращением пи-

рувата в лактат (т.е. термины анаэробный распад и анаэробный гликолиз совпадают).

Распад глюкозы до пирувата Ã специфический путь ее катаболизма

Процесс протекает в цитоплазме клеток.

Фосфорилирование глюкозы осуществляется гексокиназой (с низкой Кm=10–5 М в тканях) и специфической глюкокиназой (с большой Кm=10–3 М, содержащейся в печени) за счет АТФ. Гексокиназа – не спе-

цифична, может фосфорилировать и другие гексозы: фруктозу, маннозу. Это аллостерический фермент, ингибируется глюкозо-6-фосфатом.

Глюкокиназа в печени не регулируется.

Реакция необратима, так как сопровождается выделением большого количества свободной энергии. Глюкозо-6-фосфат изомеризуется фосфогексоизомеразой во фруктозо-6-фосфат.

151