Биохимические функции цикла Кребса

1. Интегративная — цикл Кребса является своеобразным метаболическим «коллектором», который объединяет пути катаболизма углеводов, липидов и белков.

2. Амфмболическая — цикл Кребса выполняет двойственную функцию:, катаболическую, поскольку в нем происходит распад ацетильных остатков, н анаболическую, поскольку субстраты цикла Кребса используются на синтез других веществ. Так, оксалоацетат идет на синтез аспарагиновой кислоты и глюкозы, 2-оксоглутарат — на синтез глутаминовой кислоты, сукцинат — на синтез гема.

3. Энергетическая — в ходе реакций цикла Кребса образуется одна молекула АТФ на уровне субстрата на 1 моль поступившего ацетил-КоА.

4. Водороддонорная (или водородгенерирующая) — цикл Кребса явля­ется основным генератором водорода для дыхательной цепи В цикле Кребса

На последней функции цикла Кребса следует остановиться особо. Прежде всего, необходимо напомнить, что все процессы, «питающие» цикл Кребса или остатками уксусной кислоты, т. е. ацетил-КоА, или другими промежуточными продуктами цикла, т. е. ди- и трикарбоновымн кислотами, обеспечивают ' работу цикла Кребса и его функцию генератора водорода для дыхательной цепи. К этим процессам относятся цикл окисления жирных кислот, и пирувата (источники ацетил-КоА), реакции распада углеродного скелета аминокислот (источники ацетил-КоА и дикарбоновых кислот). Торможение процессов, ведущих к образованию ацетил-КоА или метаболитов циила Креб­са, из других веществ, выключает цикл Кребса из работы. Дыхательная-цепь лишается главного источника поступления водорода, использующегося на образование энергии.

Биохимические функции цикла Кребса указывают на то, что уксусная кислота и любое вещество, являющееся непосредственным компонентом цикла Кребса, должны быть хорошим источником энергии и их можно потреб-лить с пищей как ценные энергетические вещества, лишь бы они, поступав в клетку, могли достигнуть ферментной системы цикла Кребса, расположенной внутри митохондрий. Ацетат в клетках может активироваться и превращаться в ацетил-КоА, а значит, для уксусной кислоты это предположение справед­ливо. То же относится к некоторым субстратам цикла, проникающим через митохондркальную мембрану, особенно к субстратам дегидрогеваз: нзо-цитрату, 2-океоглутарату, сукцинату и малату. Возможности их использования

как энергетически ценных препаратов для медицинских целей и показания к назначению сейчас изучаются.

 

Билет 39

 

Углеводы наряду с белкамн — наиболее распространенные соединения, участ­вующие в построении клетки и используемые в' процессе ее жизнедеятель­ности.

Углеводами (сахарами) называют полиоксикарбоиильные соединения и их производные. Характерным отличи­тельным признаком углеводов является наличие не менее двух гидроксильных групп и карбонильной (альдегидной или кетонной) группы. Следовательно, самыми простыми углеводами можно назвать глицеральдегид и диоксиацетон:

 

Классификация углеводов основана на их структуре (схема 3) к физико-химических свойствах.

 

 

По физико-химическим свойствам углеводы делят на нейтральные, содержащие только гидроксильные и карбонильные группы; основные, включающие кроне названных аминогруппу (амнносахара); кислые, со­держащие кроме гидрокенльных и карбонильных групп карбоксильные группы.

I. Моносахариды

Моносахариды, или монозы, — это простейшие углеводы. В названии всех моносахаридов имеется окончание -оаа. Групповое наименование моно­сахаридов складывается из числа углеродных атомов и наличия соответст­вующей карбонильной группы — альдегидной или кетонной. Например, мо­носахариды, имеющие пять углеродных атомов, называют пентозами, а с уче­том альдегидной группы — альдопентозами; если же они содержат кето-группу, то кетопентозами, Углеводы с шестью углеродными атомами назы­вают соответственно альдогексозами и кетогексозами.

Разные моносахариды принадлежат- к соединениям L- или D-ряда в зависимости бт L- или D-конфигурации заместителей у асимметрического атома углерода данного моносахарида, который дальше всего отстоит от кар­бонильной группы. Например, у гексоз это С-5.'

В водном растворе моносахариды существуют в виде или развернутой цепи, или циклической структуры. Циклические моносахариды отсутствуют у триоз и тетроз, но, начиная с пентоз, происходит самопроизвольная реакция между одной из гидроксильных групп и карбонильной группой с образованием цикла. Так образуются, например, пятичленные (фураноз-ные) и шестичленные (пиранозные) циклы. Гидроксил у первого углерод­ного атома циклического моносахарида называют полуацетальным. От него зависят восстанавливающие свойства углеводов.

Биологическое значение моносахаридов. В клетке моносахариды исполь­зуются как источник энергии, причем моносахариды (как, впрочем, н полисахариды) в отличие от других соединений являются энергетическим субстратом клеток организма человека и животных как в присутствии кисло­рода, так и в его отсутствие. Кроме того, моносахариды и их производные участвуют в построении ■ самых разнообразных биологических молекул, т. е. выполняют пластическую функцию.

Олигосахарнды

Олигосахаридами называют углеводы, имеющие от двух до десяти звеньев' моносахаридов, соединенных гликозидными связями. Они отличают­ся друг от друга составом моносахаридов и типом гликозидной связи.

Среди наиболее распространенных олнгосахаридов можно отметить лактозу, содержащуюся в молоке; сахарозу, чрезвычайно распространенную в растительном мире; мальтозу, являющуюся продуктом частичного гидро­лиза крахмала в растениях:

 

В клетках и биологических жидкостях олигосахариды находятся как Б свободном виде, так к в составе смешанных углевод-белковых комплексов (гликопротеидах), соединяясь с белком ковалентными связями.

Биологическое значение олигосахаридов еще подробно не изучено. Как ценные пищевые вещества, используемые клетками для получения энергии после разложения их на моносахариды, они известны давно. Возможно, что олигосахариды, входящие в состав гликопротеидов клеточной мембраны, являются своеобразными «локаторами», с помощью которых клетки «узна­ют» друг друга.

3. Полисахариды

Полисахаридами, или гликанами, называют высокомолекулярные углеводы содержащие более десяти моносахаридных звеньев, соединенных гликозид-ными связями. Разные полисахариды отличаются природой моносахаридов молекулярной массой и типом гликозидных связей в цепях моносахаридов. Чаще всего мономером их является D-глюкоза. Но встречаются и другие моносахариды: галактоза, манноза, фруктоза, а также производные моноса­харидов.

Различают гомополисахариды (гомогликаны), образованные моносаха­ридом одного типа, н.гетерополисахариды (гетерогликаны), состоящие из раз­ных моносахаридов. Например, крахмал — гомополисахарид (в него входит только D-глюкоза); гиалуроновая кислота—гетерополисахарид (в нее вхо­дят чередующиеся звенья D-глюкуроновой кислоты и К-ацетил-В-глкжоза-мина).

По типу строения цепей полисахариды делят на линейные и разветв­ленные.

Общие свойства полисахаридов Полисахаридам присущи свойства типичных высокомолекулярных соедине­ний, имеющих полярные группы. Поэтому полисахариды гидрофильны; прн растворении в воде они набухают (подобно фибриллярным белкам), а затем, частично растворяясь, дают коллоидные растворы. В зависимости от состава полисахариды обладают разной гидрофильностью, раствори­мостью "и зарядом. Например, крахмал или гликоген, состоящие только из D-глюкозь!, образуют в растворах типичные мицеллы, несущие отрицательный заряд, так как гидроксильные группы обладают свойствами слабой кислоты и диссоциируют. Полисахариды, содержащие уроновые кислоты, характеризуются сильнокислыми свойствами, лучшей растворимостью (гидрофиль-ностью) и несут больший отрицательный заряд по сравнению с крахмалом или гликогеном. Все полисахариды образуют очень вязкие коллоидные раст­воры, способные к гелеобразованию. Особенно эта способность выражена у кислых полисахаридов. Они даже в разбавленных растворах дают проч­ные упругие гели, которые удерживают большое количество молекул воды Полисахариды содержатся как внутри клетки, так и в межклеточном веществе, А это значит, что характерные свойства полисахаридов проявляют­ся в разных условиях. Как правило, внутри клетки находятся нейтральные полисахариды в качестве запасного материала (крахмал, гликоген). Вне-клеточно обычно присутствуют кислые полисахариды (гналуроновая кислота, хонлпоитингульфаты)

Отдельные представители полисахаридов

Крахмал — гомополисахарид растений. Он состоят из а-амилозы и ами-лопектина. а-Амилоза — линейный полисахарид, где D-глюкоза соединена а-(1->-4)-гликозидными связями. Она имеет молекулярную массу от несколь­ких тысяч до сотен тысяч. В водной среде а-амилоза образует двухспираль-ные структуры. Ее коллоидные частицы (мицеллы) дают с иодом характерное синее окрашивание.

Гликоген — главный резервный полисахарид всех тканей человека-и жи­вотных. ' Встречается гликоген. в небольших количествах у бактерий и растений. Он имеет высокую молекулярную массу — 1—20 * 10⁷, отличается большей разветвленностью цепей по сравнению с.амилопектином. В, точках ветвления находятся а- (1-»-б) -гликозидные связи. В молекуле гликогена выделяют внутренние и наружные ветви, а также цепи А, В и С:

Биологические функции полисахаридов

Поскольку полисахариды в тканях и биологических жидкостях находятся только в связанном состоянии с белком, то правильнее рассматривать биологическое значение преимущественно углеводного компонента в тех углевод-белковых комплексах, в которых на его долю приходится большая часть. Такие углевод-белковые комплексы называют протеогликанами в от­личие от гликопротеидов, у которых углеводный фрагмент меньше, чем белковый, или имеет некоторые особенности (см. гл. «Смешанные макромо­лекулы»). К наиболее важным функциям полисахаридов относятся;-энергети­ческая, опорная, защитно-механическая, связующая (структурная), гидро-осмотическая и ионрегулирующая, кофакторная.

Энергетическую функцию выполняют резервные полисахариды — крахмал и гликоген. Они являются депо углеводов в клетке и при необходимости быстро расщепляются на легко усвояемый источник энергии — глюкозу. Гликоген и крахмал пищи выполняют ту же функцию после обработки их ферментами пищеварительного тракта.

Опорную функцию выполняют структурный полисахарид целлюлоза в растительных организмах и хондроитинсульфаты в костной ткани.

Защитно-механическая — типичная функция кислых гетерополисахари-дов. Высокая вязкость и слизеподобная консистенция кислых гетерогюли-сахаридов объясняет их роль биологического смазочного материала, защищающего поверхность клеток. Выстилая трущиеся поверхности сосудов, мочеполовых путей, пищеварительного тракта, слизистой носа, трахеи, брон­хов, суставов (синовиальная жидкость) и т. д.,. они предохраняют их от механического повреждения. Механическую устойчивость внутренним органам при сжатии и вибрации придают межклеточные-гелеподобные мукополиса-хариды; у водных растений они обусловливают упругость и прочность при ударах воды.

Связующая, или структурная, функция — кислые гетерополиеахариды являются структурным межклеточным веществом, одновременно выполняю­щим функцию биологического цемента (например, гиалуроновая кислота).

Гидроосмотическая и ион регулирующая функции. Кислые гетерополиса­хариды благодаря высокой гидрофильное™ и отрицательному заряду способны удерживать большие количества воды и катионов. Например, ги­алуроновая кислота — чрезвычайно гидрофильный полисахарид. Она связы­вает межклеточную воду и катионы, регулируя межклеточное осмотическое давление. Подобно осмометру эта кислота препятствует излишнему скоплению свободной воды в межклеточном пространстве. Избыточное связывание некоторых ионов может привести к нарушениям, например, к кальцификации сосудистой стенки.

Кофакторная функция. Некоторые гетерополисахариды, такие как гепа­рин и гепарансульфат, действуют как кофакторы ферментов. При соеди­нении с белком они образуют активный белок — полисахаридный комплекс. Гепарин проявляет свойства тех ферментных белков, у которых он играет роль кофактора. Поэтому у него проявляется антисвертывающая функция (задерживает свертывание крови) и Энтилипемическая (снижает уровень липидов в крови, активируя их расщепление). АнТикоагулирующими свойст­вами обладает и дерматансульфат, который содержится в аорте.

На практике гепарин и сульфатированные синтетические полисахариды (гепариноиды) широко применяют как антикоагулянты и противоатероскле-ротическне. (препятствующие отложению липидов в сосудах) препараты.

 

Глюкоза

Групповая принадлежность:

Средство углеводного питания

 

Фармакологическое действие:

Участвует в различных процессах обмена веществ в организме, усиливает окислительно-восстановительные процессы в организме, улучшает антитоксическую функцию печени. Вливание растворов декстрозы частично восполняет водный дефицит. Декстроза, поступая в ткани, фосфорилируется, превращаясь в глюкозо-6-фосфат, который активно включается во многие звенья обмена веществ организма. 5% раствор декстрозы оказывает дезинтоксикационное, метаболическое действие, является источником ценного легкоусвояемого питательного вещества. При метаболизме декстрозы в тканях выделяется значительное количество энергии, необходимой для жизнедеятельности организма. Гипертонические растворы (10%, 20%, 40%) повышают осмотическое давление крови, улучшают обмен веществ; повышают сократимость миокарда; улучшают антитоксическую функцию печени, расширяют сосуды, увеличивают диурез. Теоретическая осмолярность 10% декстрозы - 555 мОсм/л, 20% - 1110 мОсм/л.

Показания:

Гипогликемия, недостаточность углеводного питания, токсикоинфекция, интоксикации при заболеваниях печени (гепатит, дистрофия и атрофия печени, в т.ч. печеночная недостаточность), геморрагический диатез; дегидратация (рвота, диарея, послеоперационный период); интоксикация; коллапс, шок. Как компонент различных кровезамещающих и противошоковых жидкостей; для приготовления растворов ЛС для в/в введения.

Противопоказания:

Гиперчувствительность, гипергликемия, сахарный диабет, гиперлактацидемия, гипергидратация, послеоперационные нарушения утилизации глюкозы; циркуляторные нарушения, угрожающие отеком мозга и легких; отек мозга, отек легких, острая левожелудочковая недостаточность, гиперосмолярная кома.C осторожностью. Декомпенсированная ХСН, ХПН (олигоанурия), гипонатриемия.

Побочные действия:

Гиперволемия, острая левожелудочковая недостаточность. В месте введения - развитие инфекции, тромбофлебит.Передозировка. Гипергликемия. Лечение - симптоматическое.

 

 

В медицине и фармации крахмал применяется для приготовления присыпок, паст

(густых мазей), а также при производстве таблеток в качестве вспомогательного вещества.

 

 

Билет 40

 

Переваривание углеводов начинается в ротовой полости главным образом с помощью L-амилазы слюны. Некоторые исследователи считают, что в слюне имеется и другой фермент— мальтаза. -n-Амилаза состоит из одной полипеп­тидной цепн, стабилизируется кальцием, имеет оптимум рН7,1 и активируется ионами хлора. Фермент относится к эндоамилазам, действует на внутренние а-1,4-гликозидные связи крахмала и гликогена пищи и не способен гидролизовать а-1,6-гликозидные связи этих полисахаридов. а-Амилаза гидролизует весьма беспорядочно а-1,4-гликозидные связи полисахаридов в отличие от B- и у-амилаз. р-Амилаза последовательно отщепляет от конца полисахарида дисахарид мальтозу, а у-амилаза — концевой моносахарид глюкозу. Поэтому обе эти амилазы являются экзоамилазами. у-Амилаза присутствует в ткани печени и участвует в расщеплении гликогена ф-амилазы в организме челове­ка нет; она находится в бактериях).

После действия а-амилазы слюны полисахариды расщепляются на а-лимитдекстрии (разветвленный полисахарид меньшей молекулярной массы, чем крахмал и гликоген), мальтозу и небольшое количество глюкозы (возможно в результате присутствия мальтазы). Поскольку время нахождения пищи в ротовой полости невелико, доля расщепленных полисахаридов относительно мала, хотя содержание фермента в слюне очень велико..Днсахариды пищи, главными из которых являются сахароза, лактоза (особенно у детей, питаю­щихся молоком и молочными продуктами), трегалоза (дисахарид грибов), не расщепляются в полости рта.

В желудке а-амилаза инактивируется кислым содержимым желудка, и переваривание- углеводов прекращается. В кишечнике происходит полный гидролиз полисахаридов, включая и образовавшийся в полости рта а-лимит-декстрин, и всех днсахарядов до моносахаридов. Действию ферментов благо­приятствует нейтрализация поступающей в кишечник кислой пищи гидро-карбонатами, растворенными в щелочном содержимом сока поджелудочной железы и желчи.

Гидролиз углеводов в кишечнике осуществляется ферментами поджелу­дочной железы и кишечника. К первым относятся панкреатическая а-амилаза н олиго-1,6-глюкозидаза. Остальные ферменты—олигосахаридазы и днсаха-ридазы — образуются преимущественно в слизистой кишечника. Панкреатиче­ская а-амилаза сходна по действию са-амилазой слюны. Она буквально в те­чение 4—5 мин гидролизует поступающий крахмал и гликоген до а-лимитдек-стрннов и мальтозы. Гидролиз а-лимитдекстрина происходит с помощью олиго-1_;6-глюкозидазы, которая специфически разрывает а-1,6-гликозидные связи в точках «ветвления» полисахарида. При этом образуется мальтоза:

 

 

Днсахариды гидрояизуются не в полости, а в стенке кишечника, поэтому образующиеся моносахариды сразу всасываются. Существуют а-специфичные и р-специфичные олигосахаридазы, которые расщепляют днсахариды до моно­сахаридов. К а-олнгосахаридазам относятся мальтаза, изомальтаза, сахараза, а,а-трегалаза. Сахараза образует чаще всего комплекс с изоМальтазой. Такой ферментативный сахаразо-изомалътазный комплекс (сахарозо-а-глюкогидро-лаза) расщепляет сахарозу на глюкозу и фруктозу, а изомальтозу— на две молекулы ГЛЮКОЗЫ

Мальтаза гидролизует мальтозу (иногда мальтаза образует комплекс с сахдразой):

 

а.а-трегадаза расщепляет трегалозу:

Среди р-олнгосахаридаз наибольшее значение имеет специфичная р-га-лактозидаза, или лактаза, осуществляющая гидролиз лактозы:

 

Конечными продуктами переваривания углеводов являются моносахарн ды, преимущественно глюкоза, фруктоза, галактоза. Доля остальных моно­сахаридов, поступающих с пищей, относительно невелика. Далее в тонком кишечнике происходит всасывание моносахаридов.

 

Билет 41

 

1. Распад глюкозы (гликолиз)

В клетках человека и других высших организмов (животных, растений) про­исходит молочно-кислое брожение, которое обычно называют гликолизом (от греч. «глнкис» — сладкий и «лизис» — распад, разложение). Следователь­но, гликолиз — это анаэробный распад глюкозы до двух молекул молочной-кислоты.

Отдельные стадии гликолиза катализируются 11 ферментами. Они обра­зуют цепь функционально связанных ферментов (полиферментная функцио­нальная система), в которой продукт реакции предшествующего фермента является субстратом для последующего. Ферменты гликолиза локализованы вне митохондрий, в клеточном соке, где находятся в растворенном виде или лабильно соединены с мембранами эндоплазматической сети.

Распад глюкозы до молочной кислоты —экЗергоничеекий процесс. Осво­бождающаяся при этом энергия аккумулируется в фосфатных связях АТФ. Ферментативные реакции гликолиза в основном были изучены до 1940 г. В выяснении последовательности этих реакций большую роль сыграли работы немецких биохимиков Эмбдена и Мейергофа и советского биохимика Я. О. Парнаса, поэтому гликолиз называется иногда путем Эмбдена—Мейер­гофа—Парнаса.

Отдельные реакции гликолиза

1. фосфорилированне d-глюкозы. Это первая реакция, которая запускает гликолиз. В ходе этой реакции глюкоза превращается в глюкозо-6-фосфат по уравнению

Реакция катализируется ферментом гексокинаэой и требует АТФ (донор фос-форильных групп) и ионов магния. Гексокииазная реакция практически необ­ратима в физиологических условиях. Гёксокинаэа присутствует в клетках организма в виде четырех типов изоферментов (1, II, Ш и IV), которые обла­дают разной специфичностью. к субстратам и скоростными возможностями. Гексокиназа [V (глюкокиназа) отличается высокой специфичностью к глю­козе (Km для глюкозы равна 2 • Ю^-2 М). Поэтому гексокиназа IV не превра­щает другие гексозы и работает яри высоком содержании глюкозы. Этот фер­мент имеется только в клетках печени и включается в работу по фосфорили-рованию свободной глюкозы, когда в крови воротной вены большая концент­рация глюкозы (например, при обильном всасывании ее из кишечника).

Остальные гексокиназы фосфорилнруют не только глюкозу, но к другие гексозы (D-фруктозу, D-маннозу, D-глюкозамин). Поскольку К_т гексокиназ для глюкозы низка (tf _m=10~⁵— Ю^-6 М), то они фосфорилнруют глюкозу и другие гексозы при обычных их концентрациях в клетках. Гексокиназа I осо­бенно активна в почках, печени; гексокиназа II — в мышечной и жировой тканях, гексокиназа III — в печени, селезенке. Гексокиназы II и IV реагируют на действие гормонов (например, инсулина), что позволяет считать их приспо­собительными ферментами. Характерно, что в печени имеется весь набор изо­ферментов гексокиназы, что говирит о разнообразии возможностей печеноч­ных клеток в «улавливании» глюкозы.

2. изомеризация глюкозо-6-фосфата во фруктозо-6-фосфат. Эта реакция катализируется ферментом глюкозофосфатизомераэой. Она обратима и про­текает по уравнению

 

 

Равновесие устанавливается при соотношении глюкозо-6-фосфат/фруктозо-6-фосфат — 70/30. Глюкозофосфатнэомераза — очень специфичный фермент Он действует только на глюкозо-6-фосфат (прямая реакция) и, фруктозо-6-фосфат (обратная реакция).

3. Фосфорилирование фруктозо-6-фосфата с образованием фруктозо-1,6-бнсфосфата. На эту реакцию гликолиза затрачивается еще одна молекула АТФ (для реакции необходимы ионы Mg²"¹"). Она катализируется ферментом фосфофрукТокиназой по уравнению

 

В реакции, катализируемой фосфофруктокнназой, происходит значительное падение свободной энергии, поэтому она практически необратима. Это втирая необратимая реакция гликолиза. Фосфофруктокиназа принадлежит к алло-стерическим, или регуляторыым, ферментам, н имеет свойственную, таким ферментам сложную четвертичную структуру (мол. масса 360 000).

ФосфОфруктокиназа — «ключевой» фермент гликолиза, который не только лимитирует скорость всего процесса (из-за необратимости реакции), но н управляется различными изо- н аллостерическимн регуляторами. Фермент активируется своим субстратом (фруктоао-6-фосфат) и продуктами реак­ции — фруктозо-1,6-бисфосфатом и АДФ, а также АМФ, Ф„ и цАМФ. Ингнбируют фермент повышенные концентрации АТФ, т_; е. свой субстрат, н цитрат. Интересно, что АМФ, присутствующий в клетке, облегчает связывание АТФ с активным центром фермента- Поэтому АТФ сначала используется как субстрат, а затем, связываясь с аллостерическим центром, прекращает фосфофруктокиназную реакцию.

4. Расщепление фруктоэо-1,6-бисфосфата на глицеральдсгнд-3-фосфат и дигидрокснацетонфосфат. На следующем этапе фруктозо-1,6-бисфосфат расщепляется на две фосфотриозы, из-за чего раньше гликолиз называли дихотомическим путем превращения глюкозы.

Реакция катализируется ферментом фруктозобисфосфат-альдолазой по урав­нению

 

4. Взаимопревращение триозофосфатов. Поскольку в дальнейших реак­циях гликолиза используется только один из двух триозофосфатов — глицеральдегнд-3-фосфат, то необходим фермент, осуществляющий превра­щение другого триозофосфата (дигидроксиацетонфосфата) в глицераль-дегид-3-фосфат. Эту функцию в гликолизе выполняет триозофосфатизоме-раза, катализирующая реакцию

 

Глицеральдегид-З-фосфат-дегидрогеиаза состоит из четырех одинаковых субъединиц (молекулярная масса фермента 140 000). В составе фермента имеется НАД. Важную роль в катализе играет SH-группа активного центра. Механизм действия этого фермента протекает в несколько стадий:

а) связывание НАД"¹" с активным центром фермента (Е—SH)

б) связывание глицеральдегид-3-фосфата (R—СН=0) с SH-группой фермента

в) восстановление НАД за счет дегидрирования субстрата внутри ак­тивного центра фермента

г) восстановление внешнего НАД"*" НАДА,НАД⁺

д) фосфоролиз фермент-субстратного комплекса с образованием 1,3-дифосфоглицерата

Продукты этой реакции НАД-Н_г и 1,3-дифосфоглицерат блокируют фермент, поэтому необходимо в ходе реакции непрерывно их использовать.

7, Перенос фосфатной группы с 1,3 -Днфосфоглнцерата на АДФ. 1,3-ди-фосфоглицерат — богатое энергией соединение, оно используется для обра­зования АТФ (первое гликолитическое фосфолирование) на уровне субстрата. Реакция катализируется фосфоглицераткиназой по уравнению

 

8, Изомеризация 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат. Эта реакция, при которой фосфатная группа нз положения 3 переносится в положение 2, катализируется фосфоглицерат-фосфомутазой:

 

Кофактором этого фермента является 2,3-дифосфоглицерат, который сначала дефосфорилируется, превращаясь в 2-фосфоглицерат, а затем восполняется за счет фосфорилирования 3-фосфоглицерата:

9. Дегидратация 2 -фосфоглицерата с образованием фосфоенолпирувата.

Эта реакция, в ходе которой образуется богатая энергией связь, катали­зируется енолазой (еноилгидратазой) по уравнению

10. Перенос фосфатной группы с фосфоенолпирувата на АДФ (второе гликолитическое фосфорилирование). Высокоэнергетнческое соединение — фос-фоеиолпируват используется на этой стадии для образования АТФ на уровне субстрата. Реакция катализируется пируваткиназой и протекает с участием ионов Mg²⁺ по уравнению

11. Восстановление пирувата до лактата. Эта реакция катализируется заключительным ферментом гликолиза — дактатдегидрогеназой по уравне­нию

Энергетический баланс н биологическая функция гликолиза

Гликолиз можно рассматривать как внутренний окислительно-восстанови­тельный процесс, в котором происходит образование двух молекул НАД-Н_а на стадии дегидрирования глицеральдегид-3-фосфата, а акцептируется во­дород двумя молекулами пирувата с образованием лактата. Суммарное уравнение гликолиза выглядит следующим образом:

На стадиях фосфорилирования глюкозы и фруктозы (стадии 1 и 3) расходуется две молекулы АТФ. Ьсли принять во внимание, что весь дигидроксиаиетон фосфат (на 5-Й стадии) переходит в глицеральдегид-3-фосфат, т. е. дает наряду с имеющейся вторую молекулу глицеральдегйд-3-фосфата, то далее фактически происходит последовательное превращение двух молекул этой фосфотрнозы. Поэтому на двух стадиях гликолитического фосфорили­рования, катализируемых фосфоглицераткиназой и пируваткнназой, образу­ется по две молекулы АТФ. Итого, чистый выход АТФ составляет две моле­кулы на молекулу расщепленной глюкозы. Такова энергетическая ценность гликолиза.

Из данных по изменению свободной энергии можно рассчитать примерную эффективность гликолиза. Расщепление глюкозы до двух молекул лактата сопровождается освобождением примерно 195 кДж/моль, а для образо­вания двух молекул АТФ из АДФ и Н_эР0₄ требуется затрата в физиологи­ческих-условиях около 90— 100 кДж/моль. Следовательно, эффективность гликолиза составляет около 50%.

Таким образом, гликолиз представляет собой практически необратимый процесс, который полностью смещен в сторону образования лактата. «Узкими» местами гликолиза, лимитирующими скорость всего процесса распада глюко­зы, служат три ферментных звена: гексокиназа, фосфофруктокиназа и пи-руваткиназа, катализирующих необратимые реакции. Эти ферменты являются своеобразными водителями ритма гликолиза. Воздействуя на них, можно регулировать скорость всего поли ферментного процесса. Кстати, эти ферменты активируются неорганическим фосфатом или.АДФ и тормозятся продуктом гликолиза'— АТФ. Очевидно, чем больше расход АТФ в клетке, тем актив­нее гликолиз к наоборот. Несмотря на то что гликолиз дает малый вало­вый выход энергии (всего 2 АТФ на I моль глюкозы), это единственный процесс в клетках организма, продуцирующий энергию в отсутствие кислоро-да.-Этим и обусловлена его биологическая роль. При кризисных ситуациях в организме, когда по тем или иным причинам нарушено поступление или потребление кислорода, гликолиз является единственным средством скорой энергетической помощи для сохранения жизнедеятельности клеток. Поэтому при гипоксии (кислородное голодание тканей) гликолиз играет важную энергетическую роль. Он протекает во всех клетках и тканях; его возмож­ности таковы, что они обычно превышают потребности в расщеплении углеводов, т. с. ферменты гликолиза в клетках находятся в избытке. В эритро­цитах, где отсутствуют митохондрии, гликолиз вообще единственный процесс, продуцирующий АТФ и поддерживающий их целостность и функции.

2. Распад гликогена (гликогенолиз)

Другие углеводы (полисахариды и моносахариды) в ходе распада подключа­ются к одному из этапов гликолиза и далее превращаются до лактата уже известными ферментами. Запасным углеводом в тканях млекопитающих явля­ется гликоген, прн распаде которого извлекается энергия. Процесс его распа­да называется гликогенолизом. Распад гликогена происходит путем фосфоре-лиза и гидролиза:

 

Для каждого из этих процессов имеются свои ферменты. Фосфоролиз гликогена осуществляется с помощью гликогенфосфорилаэ и вспомогатель­ного фермента этого процесса олиео -1,6-гликозидазы. Гликогенфосфорнлаза, или просто фосфорилаза, существует в двух формах — А и В. Фосфорилаза А более активна, чем фосфорилаза.В состав фосфорнлаз входит пиридоксальфосфат, стабилизирующий молекулы ферментов. Для фосфорнлаз обя­зателен сложный процесс активирования, который состоит в присоединении фосфатных групп к субъединицам фосфорилазы по схеме

Этот процесс протекает необратимо и катализируется активной киназой фос­форилазы В. Последняя активируется цАМФ-зависнмой протеинкинаэой. В целом имеет место каскадный механизм активирования (рис. 39).

Активная фосфорилаза А, содержащаяся в гиалоплазме вместе с гранулами гликогена, отщепляет от полисахарида остатки глюкозы, вызывая фос­форолиз а-1 Д-гликозидных связей в линейных цепях гликогена. Поскольку фосфорилаза не действует на а-1,6-гликозидные связи (участки разветвле­ния) гликогена, то образуются остаточный декстрин н глюкозо-1 -фосфат. По­могает расщеплять гликоген олнго-1,6-глюкозидаза, которая «устраняет» участки ветвления полисахарида, разрывая 1,6-связи, и облегчает дальнейшее действие глнкогенфосфорилазы.

Гидролиз гликогена, его называют также амилолизом, происходит с учас­тием а-амилазы и у-амилазы (а-глкжозидаза). Гликоген расщепляется а-амилазой на олигосахариды (преимущественно мальтозу); у-амилазы отцепляют концевые-остатки глюкозы, связанные в по­лисахариде как а-1,4-, так и н-1,6-гликозндными связями. В результате глико­ген может полностью гндролизоваться до свободной глюкозы.

Вовлечение продуктов гликогенолиза в гликолиз происходит следующим образом. Глюкозо-1-фосфат превращается с помощью фосфвглюкомутазы в глюкозо-6-фосфат, который распадается далее до лактата обычным путем. Кофактором фосфоглюкомутазы является глюкозо-1,6-диосфат, который вы­полняет те же функции, что 2,3-дифосфоглнцерат в реакции, катализируемой фосфоглнцератмутазой.

Гидролитический распад гликогена обычно происходит в печени. Он ис­пользуется для быстрой мобилизации гликогена с целью поступления глю­козы в крбвь и вовлечения ее в гликолиз внепеченочных тканей.

Билет 41-другой вариант

 

Глико́лиз (фосфотриозный путь, или шунт Эмбдена — Мейерхофа, или путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса) — ферментативный процесс последовательного расщепления глюкозы в клетках, сопровождающийся синтезом АТФ.

Первой реакцией гликолиза является фосфорилирование молекулы глюкозы, происходящее при участии тканеспецефичного фермента гексокиназы с затратой энергии 1 молекулы АТФ; образуется активная форма глюкозы — глюкозо-6-фосфат (Г-6-Ф):

Для протекания реакции необходимо наличие в среде ионов Mg²⁺, с которым комплексно связывается молекула АТФ. Эта реакция необратима и является первой ключевой реакцией гликолиза.

Фосфорилирование глюкозы преследует две цели: во-первых, из-за того что плазматическая мембрана, проницаемая для нейтральной молекулы глюкозы, не пропускает отрицательно заряженные молекулы Г-6-Ф, фосфорилированная глюкоза оказывается запертой внутри клетки. Во-вторых, при фосфорилировании глюкоза переводится в активную форму, способную участвовать в биохимических реакциях и включаться в метаболические циклы. Фосфорилирование глюкозы — это единственная реакция в организме, в которой глюкоза участвует как таковая.

Печёночный изофермент гексокиназы — глюкокиназа — имеет важное значение в регуляции уровня глюкозы в крови.

В следующей реакции (2) ферментом фосфоглюкоизомеразой Г-6-Ф превращается во фруктозо-6-фосфат (Ф-6-Ф):

Энергия для этой реакции не требуется, и реакция является полностью обратимой. На данном этапе в процесс гликолиза может также включаться путём фосфорилирования ифруктоза.

Далее почти сразу друг за другом следуют две реакции: необратимое фосфорилирование фруктозо-6-фосфата (3) и обратимое альдольное расщепление образовавшегося фруктозо-1,6-бифосфата (Ф-1,6-бФ) на две триозы (4).

Фосфорилирование Ф-6-Ф осуществляется фосфофруктокиназой с затратой энергии ещё одной молекулы АТФ; это вторая ключевая реакция гликолиза, её регуляция определяет интенсивность гликолиза в целом.

Альдольное расщепление Ф-1,6-бФ происходит под действием альдолазы фруктозо-1,6-бифосфата: