бышевский-биохимия для врача

Энергетический баланс аэробного превращ ения глюкозы составляет 40-2 (38 молекул АТФ на 1 молекулу окислившейся до углекислоты глюкозы).

Полная энергия распада глюкозы 2880 кД ж /моль, на синтез АТФ из АДФ и фосфата расходуется 1900 кД ж /моль (38x50), около 65% всей энергии распада. Реальная эффективность использования энергии ниже и составляет около 25 моль А ТФ /моль глюкозы (около 44%). Такой КПД представляется достаточно высоким по сравнению с известными для существующих инж е­ нерных устройств.

В обобщенном виде, более доступном восприятию, аэробное превращ ение глюкозы представлено на рис. 55.

Здесь уместно напомнить, что частный путь превращений глюкозы занимает этапы до образования пирувата (хотя уж е на уровне 3-фосфоглицеринового альдегида в этот путь вливается продукт превращ ения липидов —глицерол). На уровне пирувата превращ ение глюкозы сливается с превращ ениями отдельных аминокислот, на уровне ацетил-КоА — жирных кислот, а на разных этапах ЦТК — большей части аминокислот. Таким образом, реакции окисли­ тельного декарбоксилирования общие для двух основных пищевых веществ — углеводов и липидов, а реакции цикла Кребса для трех (тех ж е и белков). С этим связано одно из названий лимонокислого цикла — общий метаболический котел.

Если обратить внимание на то, что большая часть энергии высвобождается и запасается за счет реакций этого цикла, то станет понятным еще одно его название — энергетический котел.

Ферменты, катализирующие реакции окислительного декарбоксилирова­ ния пирувата и реакции ЦТК, локализованы в митохондриях, где при восстановлении НАД до НАД • Н2 последняя передает водород следующему звену дыхательной цепи. Начало ее обращено к матриксу (см. раздел «Окис­ лительное фосфорилирование»). Ферменты, которые катализирую т реакции от глюкозы до стадии пирувата, локализованы в цитозоле. Среди них имеется и НАД-зависимая дегидрогеназа, она обеспечивает восстановление НАД в НАД • Н2. Мембрана митохондрий непроницаема для НАД • Нг, поэтому с помощью специальных механизмов передает протоны на митохондриальную НАД, восстанавливая ее. Так обеспечивается включение в дыхательную цепь дегидрогеназы 3-фосфоглицеринового альдегида.

Анаэробный распад глюкозы (гликолиз) сущ ествует наряду с основным путем ее превращения. Являясь альтернативным, он способен обеспечивать клетки энергией в отсутствии кислорода. Этот путь совпадает с отрезком основного пути до стадии пирувата. Следовательно, этот его участок обеспечи­ вают цитозольные ферменты, катализирующ ие превращ ение глюкозы в пируват. Далее, вместо окислительного декарбоксилирования пируват может подвергнуться реакции восстановления, приняв на себя пару атомов водорода от дегидрогеназы НАД • Н2, образовавшейся при окислении 3-фосфоглицери­ нового альдегида. Продукт восстановления — молочная кислота.

Эту реакцию катализирует лактатдегидрогеназа, фермент, широко рас­ пространенный в клетках. При ограниченном обеспечении кислородом лактат­ дегидрогеназа катализирует преимущественно реакцию восстановления, при достаточном — равновесие реакции сдвигается влево и происходит окисление молочной кислоты в пируват. Пируват ж е в этих условиях вовлекается в окислительное карбоксилирование (рис. 56).

Анаэробный гликолиз — источник АТФ в интенсивно работающей мышеч­ ной ткани, когда окислительное фосфорилирование не справляется с обеспе­ чением клетки АТФ. В эритроцитах, вообще не имеющих митохондрий, а следовательно, и ферментов цикла Кребса, потребность в АТФ удовлетворя­ ется только за счет анаэробного распада.

Пентозофосфатный путь превращения глюкозы представлен двумя после-

2. В результате превращ ений в неокислительной ветви генерируется рибозо-5-фосфат. Этот углевод и его производные используются для синтеза важных биологических молекул: РНК и ДНК, АТФ, КоА, НАД и ФАД.

3. Как следует из реакций 3 и 4 (табл. 5), рибулезо-5-фосфат может использоваться как для образования 2-й молекулы НАДФ • Н2 (реакция 3), так и для образования рибозо-5-фосфата (реакция 4). Если потребность в НАДФ • Н2 для восстановительных синтезов выше, чем потребность в рибозо-5-фосфате для синтеза РНК и ДНК, то окислительная ветвь работает интенсивно (синтез НАДФ • Н,), а избыток образующегося рибозо-5-фосфата (реакция 4) расходу­ ется на образование 3-ФГА (реакции б и 8). Эти три реакции катализирую тся транскетолазой и трансальдолазой, которые таким образом обеспечивают связь между ПФП и основным путем превращ ения углеводов, его промежуточный продукт — 3-ФГА.

Обращаем внимание на то, что кофактор транскетолазы — тиаминдифосфат (ТДФ) — коферментная форма витамина Вх (тиамина). При наруш ении способности белковой части транскетолазы связывать ТДФ или при недостат­ ке тиамина в рационе развивается тяж елое нервно-психическое расстройство

— синдром Вернике-Корсакова.

4.2.3. Распад и синтез гликогена

Гликоген — депонированная форма глюкозы, высвобождает эту гексозу при участии гликогенфосфорилазы. Фермент катализирует фосфоролиз (расщеп­ ление с присоединением компонентов фосфорной кислоты) 1,4-гликозидной связи, с высвобождением остатков глюкозы в виде глю козо-1-фосфата (Г-1-Ф), который под действием фосфоглюкомутазы превращ ается в Г-6-Ф . Его воз­ можные пути превращения:

1)в мышцах, где нет глюкозо-6-фосфатазы, по основному пути (аэробному или анаэробному);

2)в жировой ткани и других, где идут интенсивные восстановительные синтезы, по пентозофосфатному пути (для накопления НАДФ • Н2);

3)в печени, где много глюкозо-6-фосфатазы, расщ епляется на глюкозу и фосфат, глюкоза поступает в кровь.

Таким образом, гликоген выполняет функцию источника глюкозы крови или источника субстрата ПФП и аэробного превращения.

Синтезируется гликоген за счет глюкозо-1-фосфата, который, взаимодейст­ вуя с УТФ, образует УДФ-глюкозу (см. стр.87).

реакцию гликогенсинтетаза — фермент обеспечивает образование линейных участков гликогена. Образование ветвлений обеспечивает фермент — амило- 1,4-1,6-гликозилтрансфераза.

4.2.4. Метаболизм галактозы и фруктозы

Галактоза и фруктоза вступают на путь гликолиза, преобразуясь в метабо­ литы этого процесса.

Затем следует обменная реакция, катализируемая галактозо-1-ф осф атуридилтра нсфера зой:

Далее галактоза в составе УДФ под действием эпимеразы (УДФ -галактозо- 4-эпимераза) меняет конфигурацию ОН-группы при С-4, инвертируется в глюкозо-1-фосфат, освобождаясь одновременно от УДФ:

Ала, Сер, Цис, Гли

t

Тир, Фен, Тре, Вал, Мет, Иле Гли, Про, Apr, Глу, Глн, Гис и жирные кислоты с четным числом углеродных атомов

Рис. 57. Гликонеогенез. Двойными черными стрелками обозначены реакции, которые являются обратимыми, красными — реакции синтеза глюкозы, идущие в обход реакций расщепления.

Гипер- и гипогликемия — состояния, при которых содержание глюкозы в крови оказывается выше или ниже этих величин.

Концентрация глюкозы в крови определяется соотношением между интен­ сивностью поступления ее в кровоток и выхода из крови. Важнейшие источники глюкозы крови и пути ее использования показаны в табл. 6.

Содержание глюкозы в крови регулируют многочисленные гормоны. Инсулин обеспечивает поступление глюкозы в клетки, активируя транспорт

через клеточную мембрану и ускоряя ее окислительный распад (активация фосфогексокиназы, ферментов цикла .трикарбоновых кислот). Кроме того, инсулин ускоряет гликогенообразование в печени и мышечной ткани, а такж е синтез липидов (липогенез) из продуктов распада сахаров и синтез аминокис­ лот (протеиногенез). Одновременно инсулин тормозит гликогенолиз, липолиз и глюконеогенез.

Схематически роль инсулина в регуляции содержания глюкозы в крови представлена в табл. 7.

П анкреатический глюкагон ускоряет гликогенолиз и глюконеогенез в пече­ ни и ограничивает активацию гликогенсинтетаяы инсулином, активирует процессы, ведущие к росту содержания глюкозы в крови.

Одновременно глюкагон тормозит синтез белка и ускоряет протеолиз,