Обмен и функции углеводов. Анаэробное и аэробное окисление глюкозы. Аэробное окисление глюкозы Продуктами аэробного окисления углеводов являются

100 р бонус за первый заказ

Выберите тип работы Дипломная работа Курсовая работа Реферат Магистерская диссертация Отчёт по практике Статья Доклад Рецензия Контрольная работа Монография Решение задач Бизнес-план Ответы на вопросы Творческая работа Эссе Чертёж Сочинения Перевод Презентации Набор текста Другое Повышение уникальности текста Кандидатская диссертация Лабораторная работа Помощь on-line

Узнать цену

Дыхание у микробов рассматривается как энергетический процесс или как совокупность различных химических реакций, окисления и расщепления веществ органического и неорганического происхождения. В результате этих химических реакций освобождается энергия, которая используется микробами для усвоения питательных веществ, синтеза бел кон их тела, движения, роста, размножения и других отправлений живого организма.

Примером высвобождения энергии может служить окисление глюкозы, которое можно выразить следующим у соединением:

С6 Н2О + 6 О 2 6 Н2О+ 6СО2 + 674 ккал.

Как видно из уравнений, в результате полного окисления одной молекулы глюкозы до конечных продуктов (воды и углекислого газа) выделяются 674 большие калории тепла.

Энергетический процесс дыхания у микробов протекает значительно сложнее и зависит от характера используемого питательного материала.

По типу дыхания микробов делят на аэробов и анаэробов, имеются микробы и с переходным типом дыхания.

Аэробы могут жить и развиваться при свободном доступе кислорода воздуха. Необходимую энергию для жизненных процессов они получают путем, поглощения кислорода и окисления питательных материалов.

Анаэробы способны развиваться без доступа кислорода. Свободный кислород воздуха на этих микробов оказывает вредное, губительное влияние. Строгие (облигатные) анаэробы (столбнячная палочка, возбудитель маслянокислого брожения) совсем не переносят кислорода. Необходимую энергию они получают путем расщепления органических веществ углеводов, белков, жиров, органических кислот, спиртов.

Факультативные анаэробы используют те же вещества, но применительно к условиям своего существования могут изменять анаэробный тип своего дыхания на аэробный. Так, дрожжи верхового брожения "при ограниченном притоке воздуха разлагают сахар на спирт и углекислоту; при обильной аэрации у них возникает аэробное дыхание с полным окислением сахара до углекислоты и воды. Молочнокислые бактерии в анаэробных условиях превращают глюкозу в молочную кислоту, при этом энергии освобождается несколько меньше, чем у аэробов. При недостатке кислорода денитрифицирующие бактерии пользуются для окисления органических соединений кислородом нитратов.

Приведенные примеры показывают разнообразие источников энергии и способов ее получения разными видами микробов; в силу этих причин у бактерий нет и быть но может единого механизма дыхания.

Большинство аэробных микроорганизмов окисляет органические питательные вещества в процессе дыхания до С02 и воды. Поскольку в молекуле СО 2 достигается высшая степень окисления углерода, в этом случае говорят о полном окислении и отличают этот тип дыхания от не полных окислений, при которых в качестве продуктов обмена выделяются частично окисленные органические соединения.

Под «полным окислением» имеется в виду лишь то, что не происходит вы деления каких-либо органических веществ; но это вовсе не означает, что окисляется весь поглощенный субстрат. В каждом случае значительная часть субстрата (40-70%) ассимилируется, т.е. превращается в вещества клеток.

Конечными продуктами «неполных окислений» могут быть уксусная, глюконовая, фумаровая, лимонная, молочная кислоты и ряд других соединений. Поскольку эти продукты сходны с теми, которые образуются при брожениях (пропионовая, масляная, янтарная, молочная кислоты и др.), а также в связи с тем, что при промышленных процессах брожения необходимы специальные технические устройства (ферментеры), неполные окисления называют также «окислительным брожением» или «аэробной ферментацией». Слова «брожение» и «ферментация» в этом случае отражают скорее технологический аспект.

Мы будем причислять к «неполным окислениям» также простое отщепление водорода от субстрата и использование микроорганизмов для катализа некоторых реакций, не имеющих для них какого-либо значения в обычных условиях. Ниже будут рассмотрены некоторые примеры таких окислений.

Дыхание бактерий

Дыхание является самой совершенной формой окислительного процесса и наиболее эффективным способом получения энергии. Главное преимущество дыхания состоит в том, что энергия окисляемого вещества - субстрата, на котором микроорганизм растет, используется наиболее полно. Поэтому в процессе дыхания перерабатывается гораздо меньше субстрата для получения определенного количества энергии, чем, например, при брожениях.

Рис.10. Роль пировнноградной кислоты в процессах дыхания и брожения.

Процесс дыхания заключается в том, что углеводы (или белки, жиры и другие запасные вещества клетки) разлагаются, окисляясь кислородом воздуха, до углекислого газа и воды. Выделяющаяся при этом энергия расходуется на поддержание жизнедеятельности организмов, рост и размножение. Бактерии вследствие ничтожно малых размеров своего тела не могут накапливать значительного количества запасных веществ. Поэтому они используют в основном питательные соединения среды.

В общем виде дыхание можно представить следующим уравнением:

С6Н12О6 + 602 = 6С02 + 6Н20 + 2,87-106 дж.

глюкоза кислород углекислый газ вода энергия

За этой простой формулой скрывается сложная цепь химических реакций, каждая из которых катализируется специфическим ферментом.

Рис. 11. Схема гликолитического пути расщепления углеводов.

Ферментативные реакции, происходящие в процессе дыхания, в настоящее время хорошо изучены. Схема реакций оказалась универсальной, т. е. в принципе одинаковой у животных, растений и многих микроорганизмов, в том числе бактерий. Процесс дыхания при окислении глюкозы складывается из следующих основных этапов (рис. 10).

Сначала происходит образование фосфорных эфиров глюкозы - моноaктивированная глюкоза в форме дифосфата далее расщепляется на два триозофосфата (трехуглеродные соединения): фосфоглицериновый альдегид и диоксиацетон-фосфат, которые могут обратимо превращаться друг в друга.

Рис. 12. Цикл трикарбоновых кислот. Стрелками показано направление, а номерами - порядок реакций.

Далее в обмен вступает фосфоглицериновый альдегид, он окисляется в дифосфо-глицериновую кислоту. Назначение этого процесса заключается в отщеплении атомов водорода от окисляемого субстрата и переносе водорода с помощью специфических окислительных ферментов к кислороду воздуха (см. рис. 10, 11).

Водород от фосфоглицеринового альдегида присоединяется к ферменту - никотин-амиддинуклеотиду (НАД); при этом альдегид окисляется до кислоты и выделяется энергия. Часть этой энергии тратится на образование АТФ; при этом присоединяется фосфорная кислота к аденозиндифосфат у- АДФ. При гидролизе АТФ энергия освобождается и может быть затрачена на различные процессы синтеза белка и другие нужды клетки.

Фосфоглицериыовая кислота окисляется до пировиноградной кислоты. При этом также образуется АТФ, т. е. запасается энергия.

На этом завершается первая - анаэробная - стадия процесса дыхания, которая носит название гликолитического пути или пути Эмбдена - Мейергофа - Парнаса. Для осуществления этих реакций кислород не требуется. Образовавшаяся пировиноградная кислота (СН3СОСООН) является интереснейшим и очень важным соединением. Пути расщепления глюкозы в процессе дыхания и многих брожений, вплоть до образования пировиноградной кислоты, идут совершенно одинаково, что впервые было установлено русским биохимиком С. П. Костычевым. Пировиноградная кислота является тем центральным пунктом, от которого расходятся пути дыхания и брожений, откуда начинается специфическая для данного процесса цепь ферментативных превращений -специфическая цепь химических реакций (рис. 11).

В процессе дыхания пировиноградная кислота вступает в цикл трикарбоновых кислот (рис. 12). Это сложный замкнутый круг превращений, в результате которых образуются органические кислоты с 4, 5 и 6 атомами углерода (яблочная, молочная, фумаро-вая, а-кетоглутаровая и лимонная) и отщепля-«тся углекислота.

Прежде всего от пировиноградной кислоты, содержащей три атома углерода, отщепляется СО2 - образуется уксусная кислота, которая с коферментом А образует активное соединение - ацетилкоэнзим А. Он передает остаток уксусной кислоты (ацетил) на щавелевоуксусную кислоту {4 атома углерода), и образуется лимонная кислота (6 атомов углерода). Лимонная кислота претерпевает несколько превращений, в результате выделяется С02 и образуется пяти-углеродное соединение - а-кетоглутаровая кислота. От нее тоже отщепляется С02 (третья молекула углекислого газа), и образуется янтарная кислота (4 атома углерода), которая затем превращается в фумаровую, яблочную и, наконец, щавелевоуксусную кислоту.

На этом цикл замыкается. Щавелевоуксусная кислота снова может вступить в цикл.

Таким образом, в цикл вступает трехуглерод-ная пировиноградная кислота, и по ходу превращений выделяются 3 молекулы С02.

Водород пировиноградной кислоты, освобождающийся при дегидрировании в аэробных условиях, не остается свободным - он поступает в дыхательную цепь (так же, как водород глицеринового альдегида, отнятый при превращении его в глицериновую кислоту). Это - цепь окислительных ферментов.

Ферменты, которые первыми берут на себя водород от окисляемого субстрата, называются первичными дегидрогеназами.

В их состав входят ди- или трипиридин-нуклео-тиды: НАД или НАДФ и специфический белок. Механизм присоединения водорода - один и тот же:

Окисляемое вещество - Н2 + НАД -> окисленное вещество + НАД*Н2

Водород, полученный дегидрогеназой, затем присоединяется к следующей ферментной системе - флавиновым ферментам (ФМН или ФАД).

От флавиновых ферментов электроны попадают на цитохромы - железосодержащие протеиды (сложные белки). По цепи цитохро-мов передается не атом водорода, а только электроны. При этом происходит изменение валентности железа: Fe++ - e->Fe++

Заключительная реакция дыхания - это присоединение протона и электрона к кислороду воздуха и образование воды. Но прежде происходит активирование молекулы кислорода под действием фермента цитохромоксидазы. Активирование сводится к тому, что кислород приобретает отрицательный заряд за счет присоединения электрона окисляемого вещества. К активированному кислороду присоединяется водород (протон), образуя воду.

Кроме упомянутой цепи переносчиков электронов и водорода, известны и другие. Процесс этот гораздо более сложен, чем изложенная схема.

Биологический смысл этих превращений заключается в окислении веществ и образовании энергии, В результате окисления молекулы сахара (глюкозы) в АТФ запасается 12,6-1053ж энергии, в самой молекуле сахара содержится 28,6-106 дж, следовательно, полезно используется 44% энергии. Это очень высокий коэффициент полезного действия, если сравнить его с к. п. д. современных машин.

В процессе дыхания образуется огромное количество энергии. Если вся она выделилась бы сразу, то клетка перестала бы существовать. Но этого не происходит, потому что энергия выделяется не вся сразу, а ступенчато, небольшими порциями. Выделение энергии небольшими дозами обусловлено тем, что дыхание представляет собой многоступенчатый процесс, на отдельных этапах которого образуются различные промежуточные продукты (с разной длиной углеродной цепочки) и выделяется энергия. Выделяющаяся энергия не расходуется в виде тепла, а запасается в универсальном макроэр-гическом соединении - АТФ. При расщеплении АТФ энергия может использоваться в любых процессах, необходимых для поддержания жизнедеятельности организма: на синтез различных органических веществ, механическую работу, поддержание осмотического давления протоплазмы и т. д.

Дыхание является процессом, дающим энергию, однако его биологическое значение этим не ограничивается. В результате химических реакций, сопровождающих дыхание, образуется большое количество промежуточных соединений. Из этих соединений, имеющих различное количество углеродных атомов, могут синтезироваться самые разнообразные вещества клетки: аминокислоты, жирные кислоты, жиры, белки, витамины.

Поэтому обмен углеводов определяет остальные обмены веществ (белков, жиров). В этом его огромное значение.

С процессом дыхания, его химическими реакциями связано одно из удивительных свойств микробов - способность испускать видимый свет - люминесцировать.

Известно, что ряд живых организмов, в том числе бактерии, могут испускать видимый свет. Люминесценция, вызываемая микроорганизмами, известна уже в течение столетий. Скопление люминесцирующих бактерий, находящихся в симбиозе с мелкими морскими животными, иногда приводит к свечению моря; с люминесценцией встречались также при росте некоторых бактерий на мясе и т. д.

К основным компонентам, взаимодействие между которыми приводит к испусканию света, относятся восстановленные формы ФМН или НАД, молекулярный кислород, фермент люцифераза и окисляемое соединение - люциферин. Предполагается, что восстановленные НАД или ФМН реагируют с люциферазой, кислородом и люциферином, в результате чего электроны в некоторых молекулах переходят в возбужденное состояние и возвращение этих электронов на основной уровень сопровождается испусканием света. Люминесценцию у микробов рассматривают как «расточительный процесс», так как при этом энергетическая эффективность дыхания снижается.

В клетках аэробных организмов основным, по крайней мере в отношении общего количества расщепляющейся глюкозы, является ее аэробный распад до углекислого газа и воды.

Сам процесс аэробного окисления глюкозы можно разделить на 3 этапа:

1. Расщепление глюкозы до пирувата.

2. Окислительное декарбоксилирование пирувата до ацетилКоА.

3. Окисление ацетила в цикле Кребса (ЦТК), сопряженное с работой цепи дыхательных ферментов.

Общее уравнение аэробного окисления глюкозы:

C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 + 38 АДФ + 38 Ф неорг → 6 CO 2 + 44 H 2 О + 38 АТФ

В аэробных условиях пируват поступает в митозхондрии, где под действием лируватдегидрогиназного комплекса подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием ацетил-КоА В состав пируватдегидрогиназного комплекса входит 3 фермента: пируватдекарбоксилаза, дегидролипоатацетилтрансфераза, дегидрогиназа липоевой кислоты. Их количественное соотношение в составе комплекса как правило приближается 30:1:10.

Пируватдекарбоксилаза отщепляет карбоксильную группу в виде СО2 и образует соединенный с ферментом активный ацетоальдегид (гидроксиэтил).

Второй фермент этого комплекса катализирует две реакции:

В качестве простетической группы этот фермент содержит липоевую кислоту В ходе этой реакции происходит перенос остатка эфирного ацетоальдегида на ЛК. Параллельно происходит окисление альдегидной группы до карбоксильной.

В ходе этой реакции происходит перенос ацетильного остатка на входящий в состав

электроны и протоны на НАД. Фермент катализирующий данную реакцию - дегидрогиназа липоевой кислоты. Суммарное уравнение окислительного декарбоксилирования пирувата.

2пируват + 2НАД+ + 2HS-KoA -> 2Ацетил-КоА + 2НАДН+Н* + 2С0 2

Под действием пируватдегидрогиназного комплекса который содержит 3 фермента и 5 коферментов: ТДФ, ЛК, ФАД, НАД, HSKoA, происходит отщепление 2СО 2 , образование двух восстановленных НАД, т.е. энергия прошедшего окисления запасается в восстановленном НАД и образуется макроэргическое соединение - ацетил-КоА, которое дальше может использоваться в цикле трикарбоновых кислот Кребса.

Анаэробный распад глюкозы в клетках (гликолиз), последовательность реакций до образования лактата. Физиологическое значение этих процессов, их регуляция. Роль анаэробного распада глюкозы и гликогена в мышцах. Дальнейшая судьба молочной кислоты.

В анаэробном процессе пировиноградная кислота восстанавливается до молочной кислоты (лактата). Лактат является метаболическим тупиком и далее ни во что не превращается, единственная возможность утилизовать лактат – это окислить его обратно в пируват. В микробиологии анаэробный гликолиз называют молочнокислым брожением .

Суммарное уравнение анаэробного гликолиза имеет вид:

C 6 H 12 O 6 + 2 АДФ + 2 Ф неорг → 2 Лактат + 2 H 2 O + 2 АТФ

Лактат является метаболическим тупиком и далее ни во что не превращается, единственная возможность утилизовать лактат – это окислить его обратно в пируват.

Многие клетки организма способны к анаэробному окислению глюкозы. Для эритроцитов он является единственным источником энергии. Клетки скелетной мускулатуры за счет бескислородного расщепления глюкозы способны выполнять мощную, быструю, интенсивную работу, как, например, бег на короткие дистанции, напряжение в силовых видах спорта. Бескислородное окисление глюкозы усиливается при гипоксии клеток при анемиях , нарушении кровообращения в тканях.

Распад углеводов в аэробных условиях может идти прямым (aпотомическим или пентозным) путем и непрямым (дихотомическим) путем.

Дихотомическое (греч. dicha - на две части, tome-сечение)окисление углеводов идет по уравнению:

C 6 H 12 O 6 +6O 2 ® 6 СО 2 +б Н 2 О+686 ккал

Этот путь является основным в образовании энергии. Первые этапы этого пути совпадают с анаэробным окислением глюкозы. Расхождение путей начинается на стадии образования пировиноградной кислоты, которая в животных тканях декарбоксилируется окислительным путем.

Первоначально предполагали, что пировиноградная кислота подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием уксусной кислоты по уравнению: СН 3 -СО-СООН + 1 / 2 O 2 СН 3 СООН+СО 2 . Потом было установлено, что уксусная кислота не является промежуточным продуктом при.декарбоксилировании пировиноградной кислоты, и возникло представление, что уксусная кислота существует в «активной» форме. Вскоре было показано, что для утилизации пирувата необходим коэнизм А (КоА). В химическом отношении КоА представляет нуклеотид, в состав которого входит аденозин-3 1 , 5 1 -дифосфат, фосфат, пантотеновая кислота и тиоэтиламин. Коэнзим А участвует в переносе остатка уксусной кислоты - ацетильного радикала (CH 3 CO-) также и других кислотных (ацильных) радикалов.

Окислительное декарбоксилирование пирувата - процеcc многоступенчатый, осуществляется сложной ферментативной системой, в состав которой помимо пируватдекарбоксилазы, тиаминдифосфата и коэнзима А входят дегидрогеназы с коферментом НАД + , и ФАД, липоевая кислота и ионы магния. В результате окисления пировиноградной кислоты образуются молекула aцетил-КоА («активной» формы уксусной кислоты), два атома водорода (в виде НАДН+Н +) и молекула СО 2 .

СН 3 -СО-СООН+НS-КоА+НАД+®СН 3 --С~S-~КоА+С0 2 +НАДН+ H

Ацетил-КоА

Следующий этап непрямого аэробного окисления глюкозы характеризуется полным окислением ацетил-КоА в цикле Кребса до СО 2 и Н 2 О.

ЦИКЛ ДИ- и ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ (КРЕБСА).

Исследования показали, что дальнейшее окисление ацетил-КоА возможно лишь в присутствии небольших количеств какой-либо ди-карбоновой кислоты. Оказалось, что в начале ацетил-коэнзима А конденсируется с щавелевоуксусной кислотой (СООН-СН 2 - СО-СООН) с образованием лимонной (трикарбоновой) кислоты. Лимонная кислота является первым продуктом цикла Кребса, поэтому этот цикл иногда называют лимоннокислым.

Образовавшаяся лимонная кислота подвергается далее ряду сложных превращений. И прежде всего, дегидратированию с образованием цис-аконитовой кислоты. Последняя присоединяет молекулу воды и переходит в изолимонную кислоту. Изолимонная кислота подвергается дегидрированию и превращается в щавелево-янтарную, которая декарбоксилируется с образованием µ-кетоглютаровой. µ-Кетоглютаровая кислота подвергается окислительному декарбоксилированию и одновременно дегидрируется, переходя в сукцинил-КоА. Затем сукцинил-КоА превращается в янтарную кислоту. Янтарная кислота дегидрируется, превращаясь в фумаровую. Фумаровая переходит в яблочную, а из яблочной при ее дегидрировании образуется щавелевоуксусная. На этом цикл замыкается. Многие реакции цикла Кребса легко обратимы. Ферменты, катализирующие реакции цикла Кребса

Из приведенной схемы видно, что в цикле Кребса в результате реакций дегидрирования образуется 4 пары водородных атомов и 2 молекулы СО 2 . Освободившийся в ходе процесса окисления водород поступает в цепь биологического окисления и в конечном итоге окисляется молекулярным кислородом с образованием воды и выделением энергии.

При окислении в цикле ди- и трикарбоновых кислот одной молекулы ацетил-КоА образуется 12 молекул АТФ, из которых одиннадцать возникает путем окислительного фосфорилирования, а одна при субстратном фосфорилировании (при превращении сукцинил-КоА в янтарную кислоту).При окислении большинства субстратов в цепи биологического окисления происходит образование 3-х молекул АТФ, тогда как окисление некоторых из них (например, в случае янтарной кислоты) дает 2 молекулы АТФ. Энергетический баланс анаэробного и аэробного окисления глюкозы представляет следующую картину.

1. Две молекулы АТФ - это чистый прирост АТФ при превращениях глюкозы до пировиноградной кислоты в анаэробной фазе.

Глюкоза+2 НАД + +2 АДФ+2 Фн-® 2 Пируват+2 НАДН+2 АТФ

2. Четыре молекулы АТФ образуются в результате окисления двух молекул НАДН, возникших при дегидрировании двух молекул 3-фосфоглицеринового альдегида (рис. 13). В связи с тем, что эти две молекулы НАДН являются цитоплазматическими, то отдаваемые ими электроны могут включиться в митохондриальную цепь биологического окисления не прямым путем, а с помощью так называемого челночного механизма. Суть этого механизма состоит в том, что сначала цитоплазматический НАДН реагирует с фосфодиоксиацетоном и образует глицерол-3-фосфат.

Фосфодиоксиацетон+НАДН ¾ Глицерол-3-фосфат+НАД +

Г"лицерол-3-фосфат легко проникает через митохондриальную мембрану и окисляется с участием флавинзависимой дегидрогеназы в фосфодиоксиацетон, причем простетическая флавиновая группа восстанавливается.

Глицерол-3-фосфат+Фл. пр. ¾¾® Фосфодиоксиацетон+

4-фл. пр. Н 2 . Фосфодиоксиацетон выходит из митохондрий, а восстановленный флавопротеид (Фл. пр. Н2) передает приобретенные электроны в цепь биологического окисления, обеспечивая окислительное фосфорилирование только двух молекул АДФ.

3. Шесть молекул АТФ возникают в процессе окислительного де-карбоксилирования двух молекул пировиноградной кислоты, образовавшихся в анаэробной.фазе из одной молекулы глюкозы.

4. При полном окислении двух молекул ацетил-КоА в цикле Кребса возникает 24 молекулы АТФ. В итоге полного аэробного окисления одной молекулы глюкозы синтезируется 36 молекул ЛТФ. При анаэробном гликолизе (брожении) на одну молекулу глюкозы образуется всего 2 молекулы АТФ. Таким образом, «выход» энергии, запасаемой в виде АТФ при кислородном распаде глюкозы, в 18 раз больше, чем при анаэробном.

ПЕНТОЗО-ФОСФАТНЫЙ ПУТЬ ОКИСЛЕНИЯ УГЛЕВОДОВ.

Существует еще один путь аэробного окисления углеводов, который имеет значение лишь в некоторых органах и тканях (жи­ровой ткани, печени, эритроцитах, молочной железе, коре надпочечников, половых железах). Этот путь называется пентозофосфатным (пентозным, прямым или гексозомонофосфатным).

В отличие от непрямого (гексозодифосфатного) пути окисления углеводов в пентозном цикле не проходит стадии образования фруктозе-16-дифосфата, фосфотриоз и т. д., т. е. не происходит фосфорилирования глюкозомонофосфата. Последний в пентозном цикле подвергается прямому окислению с образованием в конечном итоге СО 2 и пентозофосфата.

Значение пентозного цикла состоит, во-первых, в том, что является основным поставщиком восстановленного НАДФ + (НАДФН), необходимого для разнообразных синтетических процессов. Во-вторых, этот цикл обеспечивает организм пентозами. В третьих, энергетическая ценность цикла весьма велика - равна 36 мол АТФ.

7.5. ФОТОСИНТЕЗ

Фотосинтез - это синтез органических веществ (прежде всего углеводов) из углекислого газа и воды, происходящий за счет энергии света. Фотосинтез является основным источником образования органических веществ на Земле и единственным источником кислорода.

Процесс фотосинтеза в растениях можно выразить следующим

суммарным уравнением: 6С0 2 +6Н 2 0 ¾® С 6 Н 12 О 6 +6 O 2

хлорофилл

фотосинтез происходит внутри специализированных органелл- пластидах (хлоропластах), которые содержат в себе хлорофилл.

Хлорофилл - сложное гетероциклическое соединение, содержащее четыре перрольных кольца, образующих порфириновое ядро. Перрольные кольца связаны двумя основными и двумя дополнительными валентностями с атомом магния. Хлорофилл благодаря наличию в его структуре сопряжённых двойных связей способен поглощать световую энергию, переходя в активное состояние. Аккумулирование солнечной энергии хлорофиллом является начальным этапом фотосинтеза, который можно изобразить следующим образом:

Хл + hv -® Хл +

Хлоро- Квант Хлорофилл

филл света возбужденный

На втором этапе фотосинтеза возбужденный хлорофилл, обогащенный энергией за счет поглощения светового фотона, отдаёт энергию на разложение воды (фотолиз воды). В результате образуются активные радикалы Н и ОН. Радикалы ОН дают перекись (ОН) 2 , распад которой приводит к образованию кислорода.

Хл + +Н 2 0 -® Хл+Н+ОН

ОН ¾® (ОН) 2 --® H 2 O+ 1 / 2 O 2

Следующий (третий) этап состоит в переносе водорода воды

через цепь переносчиков на НАДФ с образованием НАДФН. Одновременно происходит за счет переноса электронов, индуцируемого светом, синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата, т. е так называемое фотосинтетическое фосфорилирование.

Разобранные выше этапы являются световой фазой фотосинтеза. В реакциях этой фазы принимает участие поглощенная хлорофиллом световая энергия. Световая фаза приводит к образованию молекулярного кислорода, НАДФН и АТФ.

Следующая фаза фотосинтеза - темновая. Реакции в этой фазе происходят без участия света. В темновой фазе фотосинтеза НАДФН и АТФ используются для восстановления углекислого газа до углевода.

ГЛАВА 8. ОБМЕН ЛИПИДОВ

8.1. РОЛЬ ЛИПИДОВ В ПИТАНИИ

Жиры, так же, как и углеводы, являются важным источником энергии. Кроме того, они выполняют специфические функции благодаря содержащимся в них незаменимым ненасыщенным кислотам: линолевой, линоленовой, арахидоновой, называемых витамином F. Содержатся эти кислоты в основном в растительных маслах. Поэтому растительные масла являются незаменимой составной частью пищи. В жирах содержатся жирорастворимые витамины - А, Д, К, Е, необходимые для нормального развития организма. Богаты витаминами коровье масло, особенно из молока летнего периода, рыбий жир, жир внутренних органов.

Вышесказанное дает основание заключить, что жиры являются неотъемлемой составной частью пищи. Жиры не могут быть заменены другими веществами, хотя и равноценными по калорийности. Суточная потребность человека в жирах составляет в среднем 90 г. При тяжелой физической работе содержание жира в суточном рационе должно быть увеличено. Однако чрезмерное потребление жира ведет к нарушению жирового обмена, к заболеваниям печени.

8.2. ПЕРЕВАРИВАНИЕ ЖИРОВ В ЖЕЛУДОЧНО-КИШЕЧНОМ ТРАКТЕ

Расщепление жира на глицерин и высшие жирные кислоты осуществляется под влиянием фермента липазы. Для воздействия липазы на жир необходимо его предварительное эмульгирование, достигаемое путем перемешивания в кишечнике пищевой кашицы с желчью.

В ротовой полости жиры не подвергаются химическим изменениям. В желудке присутствует липаза, однако ее активность невелика из-за отсутствия условий, необходимых для эмульгирования жира. В желудке гидролизуются только эмульгированные жиры - жиры молока и яичного желтка. В основном переваривание жира происходит в кишечнике и в первую очередь в двенадцатиперстной кишке, куда по протокам попадают вместе с желчью соли желчных кислот, обладающие мощным эмульгирующим действием.

Желчные кислоты образуют тончайшую пленку на жировых каплях, которая препятствует слиянию отдельных капелекжира вболее крупные капли. Это приводит к резкому увеличению поверхности соприкосновения жира с ферментом липазой и, следовательно, скорости гидролитического распада жира. К желчным кислотам относятся холевая, дезоксихолевая и другие. По своему строению они близки к холестерину. В желчи эти кислоты образуют с глицином (гликоколлом) или таурином парные соединения - глико- или таурохолевую, глико- или тауродезоксихолевую и другие желчные кислоты, присутствующие в виде натриевых солей.

В клетках кишечного эпителия из продуктов гидролиза пищевых жиров вновь ресинтезируются жиры, или липоиды, специфичные для данного вида животных. Синтезированные липиды транспортируются в жировые депо. При необходимости из жировых депо жиры могут переходить в кровь и использоваться тканями в качестве энергетического материала.

МЕХАНИЗМ ОКИСЛЕНИЯ НЕЙТРАЛЬНОГО ЖИРА В ТКАНЯХ

Поступивший в клетки нейтральный жир под действием тканевых липаз расщепляется на глицерин и высшие жирные кислоты. В дальнейшем жирные кислоты и глицерин окисляются в тканях на СО 2 и H 2 O, при этом освобождающаяся энергия накапливается в макроэргических связях АТФ.

ОКИСЛЕНИЕ ЖИРНЫХ КИСЛОТ В ТКАНЯХ. В основе современных представлений о распаде жирных кислот в тканях лежит теория b-окисления, выдвинутая впервые Кноопом в 1904 г. Согласно этой теории, окисление жирных кислот происходит у углеродного атома, находящегося в b-положении по отношению к карбоксильной группе, с последующим разрывом углеродной цепочки жирной кислоты между a- и b-углеродными атомами. В дальнейшем эта теория была уточнена и дополнена.

В настоящее время установлено, что окислению жирных кислот в тканях предшествует их активация при участии коэнзима А и АТФ. Этот процесс катализируется ферментом тиокиназой.

->R-СН 2 -С~S-КоА+АМФ+пирофосфат

Ацилкофермента А

Активированная жирная кислота (ацилкофермента А) подвергается дегидрированию, в результате чего возникает двойная связь между a- и b-атомами углерода. Этот процесс протекает с участием ацилдегидрогеназ, которые в качестве простетической группы содержат ФАД. Затем к ненасыщенной кислоте (a, b-не насыщенному производному ацил-КоА) присоединяется молекула воды и образуется b-гидроксикислота (b-гидроксиацил-КоА) . Далее снова происходит процесс дегидрирования с образованием b-кетокислоты (b-кетоацил-КоА). Этот процесс катализируется ацилдегидрогеназами, коферментом которых является НАД+.И на последнем этапе b-кетоацил-КоА, взаимодействуя со свободным КоА, расщепляется на ацетил-КоА и ацил-КоА. Последний укорочен по сравнению с первоначальным на два углерода.

Образовавшийся на последнем этапе ацетил-КоА сгорает в лимоннокислом цикле до СО 2 и H 2 O. Оставшийся ацил-КоА подвергается далее аналогичному превращению до полного окисления. Полное окисление насыщенной жирной кислоты приводит к высвобождению значительного количества энергии. Например, при полном окислении пальмитиновой кислоты образуется 131 молекула АТФ.

На основании современных представлений весь ход процесса b-окисления насыщенных жирных кислот можно изобразить следующим образом:

R-СН 2 - СН 2 - СН 2 -С~S-КоА

R-СН 2 - СН= СН-С~SKоА+ФАДН 2

R-СН 2 - СН- СН 2 -С~S-КоА

÷ -2H, НАД +

R-СН 2 - С- СН 2 -С~S-КоА+ НАД + +H +

R-СН 2 - С ~S-КоA+ СН 3 - С ~S-КоА

Ацилкофермента А Ацетилкофермента А

Окисление ненасыщенных жирных кислот в принципе может происходить так же, как и окисление насыщенных жирных кислот. Однако их окисление требует специального дополнительного набора ферментов. Процесс b-окисления жирных кислот происходит в митохондриях.

ОКИСЛЕНИЕ ГЛИЦЕРИНА. Началом окисления глицерина является его фосфорилирование с участием фосфотрансферазы. Донором фосфатного остатка является АТФ. В результате этой реакции образуется глицерофосфат.

÷ фосфотранс- ÷

CHOH + АТФ ¾¾¾® CHOH +АДФ

÷ фераза ÷ OH

Глицерин Глицерофосфат

Затем глицерофосфат подвергается окислению с образованием фосфоглицеринового альдегида.

CHOH ¾¾® CHOH +H 2 O

÷ OH + 1 / 2 O 2 ÷ OH

CH 2 O ¾Р.=O CH 2 O ¾Р.=O

Фосфоглицериновый

альдегид

Дальнейшее окисление фосфоглицеринового альдегида осуществляется так же, как и при распаде углеводов.

ГЛАВА 9. ОБМЕН БЕЛКОВ

9.1. РОЛЬ БЕЛКОВ В ПИТАНИИ

Белки имеют особое значение в питании человека и животных. С белками связано осуществление основных проявлений жизни. Одной из важных функций белков является их пластическая рольвоспроизводства основных структурных элементов клетки. Эта функция белка незаменима и превосходит их значение как источника энергии. В организме почти нет белковых резервов, поэтому белки являются совершенно незаменимыми в ежедневном питании. Белковое голодание приводит к тяжелым расстройствам в организме. Особенно чувствителен к недостатку белка растущий организм. Для возмещения ежедневных потерь организм человека требует 11-13 граммов белка на килограмм веса

9.2. БАЛАНС АЗОТА И АЗОТИСТОЕ РАВНОВЕСИЕ

В связи с тем, что белки представляют собой азотосодержащие вещества, то для изучения белкового обмена большое значение имеет определение азотистого баланса, т. е. разницы между количеством азота, поступившего в организм с пищей, и количеством азота, выведенного из организма. Обычно в здоровом организме устанавливается азотистое равновесие, при котором азота выводится ровно столько, сколько его поступает с пищей.

При положительном азотистом балансе происходит задержка азота в организме, т. е. выводится азота меньше, чем его вводится. Положительный азотистый баланс характерен для молодого, интенсивно растущего организма, а также в случае беременности. При отрицательном азотистом балансе азота выводится больше, чем поступает. Это наблюдается при белковом голодании, при различных заболеваниях, связанных с усиленным распадом белка в организме.

9.3. РАСПАД БЕЛКОВ В ЖЕЛУДОЧНО-КИШЕЧНОМ ТРАКТЕ

Распад белков происходит при участии протеолитических ферментов, расщепляющих пептидные связи. Переваривание белков начинается в желудке под влиянием ферментов желудочного сока. Основным ферментом желудочного сока является пепсин, который выделяется в неактивной форме в виде пепсиногена. Пепсиноген активируется соляной кислотой. Оптимум рН для пепсина лежит в пределах 1,5-2. В результате каталитического действия пепсина в желудке образуются пептоны, построенные из достаточно длинных полипептидов. Расщепление под влиянием пепсина может сопровождаться также появлением свободных аминокислот.

Пептоны и нерасщепленные белки поступают в кишечник, где подвергаются действию ферментов поджелудочной железы (трипсина и химотрипсина), относящихся, как и пепсин, к протеиназам. Трипсин выделяется соком поджелудочной железы в неактивной форме, в виде трипсиногена. Последний активируется ферментом эктерокиназой кишечного сока. Оптимум рН для трипсина равен 7-8. Неактивной формой химотрипсина является химотрипсиноген, который активируется трипсином.

Полипептиды, три- и дипептиды, образовавшиеся в результате действия на белки пепсина, трипсина, химотрипсина, подвергаются дальнейшему расщеплению в кишечнике под влиянием ферментов кишечного сока - пептидаз (карбоксипептидазы, аминопептидазы, дипептидаз). В результате последовательного действия всех вышеперечисленных ферментов пищеварительного тракта белковые вещества распадаются до аминокислот, которые всасываются в кровь через стенку кишечника.

9.4. КАТАБОЛИЗМ БЕЛКОВ И АМИНОКИСЛОТ В ТКАНЯХ

Наряду с синтезом в клетках тканей идет постоянный гидролитический распад белков, который осуществляется с участием протеолитических ферментов тканей – катепсинов. Катепсины относятся к классу гидролаз. По своему действию сходны с пепсином, трипсином и пептидазами. Внутриклеточный распад аминокислот не использованных для синтеза белка, в основном происходит путем дезаминирования и декарбоксилирования.

ДЕЗАМИНИРОВАНИЕ АМИНОКИСЛОТ.

Этот процесс заключается в отщеплении аминогруппы от аминокислоты в виде аммиака. Существует несколько путей дезаминирования: восстановительное, окислительное, гидролитическое и внутримолекулярное.

Основным путём дезаминирования является окислительное дезаминирование, суммарное уравнение которого выглядит так:

R-CH-СOOH + ¾¾ ® R¾C¾- СOOH +NH 3

Аминокислота Кетокислота

Окислительное дезаминирование осуществляется в две стадии. Сначала аминокислота при участии дегидрогеназ окисляется в иминокислоту.

÷ НАД + (ФМН) дегидро- ÷

CH¾ NH 2 ¾¾¾¾¾¾¾¾¾® C=NH+НАДН (ФМНН 2)

÷ геназа, -2 H ÷

Аминокислота Иминокислота

Водород НАДН (или ФМНН 2) через переносчики перейдет на кислород, образуя воду. Вторым этапом является гидролитический распад иминокислоты на кетокислоту и аммиак.

C= NH + H 2 O ¾¾® C=O + NH 3

Иминокислота Кетокислота

ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ АММИАКА, СИНТЕЗ МОЧЕВИНЫ.Аммиак является ядовитым веществом для живых клеток. Основной путь обезвреживания аммиака в организме связан с синтезом мочевины. Теория синтеза мочевины окончательно была сформулирована Кребсом. Однако М. В. Ненцкий и И. П. Павлов впервые обратили внимание на важнейшую роль печени в этом процессе. Сейчас доказано, что синтез мочевины в основном происходит митохондриях клеток печени в результате кругового процесса, требующего небольшого количества орнитина, получившего название орнитинового цикла.

Промежуточным продуктом этого цикла является карбамилфосфат, на синтез которого требуется две молекулы АТФ. Затем карбаминовая

карбамилфос- ½

NH 3 +CO 2 +Н 2 O+2АТФ--¾¾®NH 2 ¾CO¾O~P=O+2АДФ+ НзРО 4

фатсинтетаза ½

Карбамилфосфат

группировка переносится с карбамилфосфата на орнитин, в результате образуется цитруллин. Последний вступает в реакцию с аспарагиновой кислотой и образует аргинин. Аргинин гидролизуется ферментом аргиназой с образованием мочевины и орнитина. Немаловажное значение в нейтрализации аммиака отводится образованию амидов - прежде всего, глютамина из глютаминовой кислоты, а также аспарагина из аспарагиновой кислоты. Синтез амидов сопряжен с распадом АТФ.

(CH 2) 2 (CH 2) 2

÷ Глютамин ÷

CH¾ NH 2 + NH 3 +АТФ ¾¾® CH¾ NH 2 +АДФ+H 3 PO 4

÷ синтетаза ÷

Глютаминовая Глютамин

ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ АМИНОКИСЛОТ. Декарбоксилирование является весьма важным процессом диссимиляции аминокислот. Этот процесс сопровождается образованием углекислого газа и соответствующего амина.

R-CH-COOH ¾¾¾® R-CH 2 + CO 2

Аминокислота Амин

При декарбоксилировании некоторых аминокислот образуется ряд физиологически активных веществ. Так, декарбоксилирование глютаминовой кислоты приводит к образованию g-аминомасляной кислоты, играющей большую роль в процессах торможения функции нервных клеток.

НООС-СН 2 -СН 2 -СН-СООН®НООС-СН 2 -СН 2 -СН 2 +СО 2

Глютаминовая кислота g -Аминомасляная кислота

С.Р.Мардашев показал, что при декарбоксилировании аспарагиновой кислоты некоторыми бактериями наряду с углекислым газом образуется новая аминокислота - a-аланин.

Некоторые амины, образующиеся при декарбоксилировании аминокислот под действием микрофлоры кишечника, известны как продукты гнилостного разложения белка. Например, при декабоксилировании лизина образуется кадаверин. Аналогичным образом из диаминокислоты орнитина

CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH-COOH-® СН 2 -СН 2 -СН 2 -СН 2 -СН 2

NH 2 NН 2 NH 2 NH 2 Лизин Кадаверин

получается амин-путресцин. При декарбоксилировании триптофана образуется индолэтиламин, который при дальнейшем гнилостном распаде дает скатол и индол. Из тирозина образуется фенол и крезол.

Скатол, индол, фенол, крезол являются ядовитыми вещества. Их обезвреживание происходит в печени путем образования неядовитых парных соединений с серной кислотой или с глюкуроновой кислотой. Ядовитость путресцина и кадаверина незначительна. Эти соединения выводятся с мочой в неизменном виде.

9.5. БИОХИМИЯ СИНТЕЗА АМИНОКИСЛОТ И БЕЛКОВ

СИНТЕЗ АМИНОКИСЛОТ. Синтез аминокислот в организме может осуществляться путем восстановительного аминирования

кетокислот и в результате процесса переаминирования между кето- и аминокислотами.

Восстановительное аминирование кетокислот является главным путем синтеза аминокислот и представляет собой реакцию, обратную реакции окислительного дезаминирования. Восстановительное аминирование включает в себя две стадии. Первая стадия состоит в присоединении аммиака к кетокислоте с образованием иминокислоты. Затем иминокислота восстанавливается НАДН в аминокислоту. Например:

CH 3 -CO-COOH+NН 3 +2H-®СН 3 -СН- COOH +Н 2 O

Пировиноградная кислота a-Аланин

1. CH 3 -CO-COOH+NН 3 -®СН 3 -С- COOH +Н

Иминокислота

2. CH 3 -C-COOH+2 Н-®СН 3 -СH- COOH

Особенно легко аммиак реагирует с a-кетоглютаровой кислотой, в результате чего образуется глютаминовая кислота.

Реакция переаминирования (трансаминирования) была открыта в 1937 г. отечественными учеными А.Е.Браунштейном и М.Г. Крицман. Эта реакция заключается в переносе аминогруппы с аминокислоты на кетокислоту и осуществляется с участием ферментов - аминотрансфераз, коферментом которых является фосфопиридоксаль (фосфорное производное пиридоксина - витамина B 6).

На первом этапе процесса переаминирования происходит

CH 3 COOH CH 3 COOH

ô ô аминотранс- ÷ ÷

ô ô фераза ÷ ÷

COOH CH 2 COOH CH 2

Аланин -Кетоглютаровая Пировино- Глютами-

кислота градная новая

кислота кислота

перенос аминогруппы на кофермент. Второй этап состоит в переносе

аминогруппы с кофермента на соответствующую кетокислоту. Реакция протекает без промежуточного образования аммиака. Вышесказанное можно иллюстрировать примером образования глютаминовой кислоты путем реакции переаминирования.

БИОСИНТЕЗ БЕЛКА И РОЛЬ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ В ЭТОМ ПРОЦЕССЕ.

Белки различаются между собой природой и последовательностью чередования аминокислот, входящих в их состав. Последовательность включения определенного числа аминокислот в синтезируемую полипептидную цепь осуществляется в соответствии с информацией, заложенной в ДНК. Установлена прямая связь между интенсивностью синтеза белка в клетках и тканях с содержанием в них ДНК и РНК. Экспериментально доказано, что ферментативное расщепление РНК рибонуклеазой и ДНК-дезоксирибонуклеазой подавляет или вовсе прекращает биосинтез белка.

Процесс биосинтеза белка происходит в мельчайших субклеточных структурах- рибосомах. Его можно условно разделить на три этапа. На первом этапе происходит синтез информационной РНК на ДНК и перенос ее к рибосомам (процесс транскрипции -«переписывания»). На этом этапе происходит передача информации о строении синтезируемого белка. Второй этап включает в себя активацию аминокислот, присоединение их к специфическим транспортным РНК и перенос к рибосомам (рекогниция - «узнавание»). Третий этап - собственно рибосомальный синтез белка (трансляция), который состоит в переводе нуклеотидной последовательности и-РНК в аминокислотную последовательность полипептидной цепи.

I этап. Синтез и-РНК происходит в ядре на молекуле ДНК при участии фермента РНК-полимеразы. В определенный момент нити ДНК расходятся и к одной из нитей присоединяются свободные рибонуклеозидфосфаты (АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ) к соответствующим основаниям в цепочке ДНК по принципу комплементарности. В результате молекула и-РНК в точности повторяет чередование азотистых оснований ДНК и является переносчиком генетической информации. Синтезированная и-РНК выходит из ядра в цитоплазму клетки, где соединяется с рибосомальной РНК (р-рнк).

Установлено, что одна аминокислота закодирована в и-РНК сочетанием трех нуклеотидов -триплетом (кодоном). Так, триплет УУУ (три урацила) определяет включение в полипептидную цепь фенилаланина, а ГАУ (гуанин-аденин-урацил) соответствует аспарагиновой кислоте и т. д.

II этап. Вначале происходит активация аминокислот при участии АТФ и специфического фермента. В результате образуется аминоациладенилат.

АТФ + COOH-CH-R фермент АМФ~СО-СН-R+ H 4 P 2 O 7

÷ ¾¾¾¾® ÷

Аминокислота Аминоациладенилат Пирофосфат

Затем аминоацильная группа с АМФ переносится на транспорт-

тную РНК.

Аминоацил т-РНК

Такой комплекс т-РНК с аминокислотой переносится к рибосомам. Для каждой аминокислоты имеется своя т-РНК. В молекуле т-РНК, имеющей конформацию клеверного листа, содержится два важнейших участка. Один из них является акцептором аминоацильной группы, переносимой от аминоациладенилата. Другой участок представляет собой триплет, который выполняет функцию антикодона, т. е. является специфическим кодоном комплементарным соответствующему кодону и-РНК.

III этап - рибосомный этап синтеза белка. Молекулы т-РНК с соответствующими аминокислотами подходят к рибосоме и присоединяются своими антикодонами к соответствующим кодонам и-РНК. Образование пептидной связи происходит при участии фермента пептид-синтетазы. После каждого образования пептидной связи происходит перемещение на один триплет. По мере продвижения рибосомы вдоль и-РНК «считывается» заключенная в ней информация и синтезируются соответствующие полипептидные цепи. В дальнейшем полипептидные цепи приобретают дисульфидные и водородные мостики, что приводит к формированию вторичной и третичной структуры белка.

Синтез белка схематически изображен на рис. 16.

ОБМЕН НУКЛЕОПРОТЕИД0В

Нуклеопротеиды в пищеварительном тракте под действием пепсина и соляной кислоты, а также трипсина, распадаются на простой белок и нуклеиновые кислоты. В ддальнейшем белок подвергается обычным превращениям. Расщепление нуклеиновых кислот происходит в тонком кишечнике под влиянием нуклеазы и дезоксирибонуклеазы. В результате действия нуклеаз нуклеиновые кислоты, распадаются на мононуклеотиды. В свою очередь нуклеотиды под действием нуклеотидаз распадаются на нуклеозид и фосфорную кислоту. В виде нуклеотидов и нуклеозидов и происходит всасывание продуктов гидролиза нуклеиновых кислот.

Нуклеиновые кислоты могут также распадаться в клетках тканей под действием тканевых нуклеаз и тканевых нуклеотидаз. Присутствующие в тканях специфические нуклеозидазы подвергают дальнейшему гидролитическому распаду нуклеозиды до пентоз и азотистых оснований.

Конечные продукты превращений пуриновых оснований у раз личных видов животных неодинаковы. У человека и человекообразных обезьян конечным продуктом обмена пуринов является мочевая кислота. Мочевая кислота поступает в кровоток и выводится почками. У большинства млекопитающих мочевая кислота d превращается в аллантоин. Пуриновые основания прежде всего подвергаются дезаминированию. При дезаминировании аденина образуется гипоксантин, который окисляется в ксантин. Гуанин превращается сразу в ксантин. Далее ксантин окисляется в мочевую кислоту, а последняя - в аллантоин. При таком распаде сохраняется пуриновое ядро.

H 2 O Гипосантин

Аденин ¾¾¾® ÷

÷ + H 2 O Мочевая

H 2 O ¯ ¾¾ ® кислота ¾¾ ® Аллантоин

Гуанин ¾¾® Ксантин -2H

Отличительной чертой распада пиримидиновых оснований в тканях многих животных является разрыв в конечном итоге пири-мидинового кольца. Конечными продуктами распада цитозина и урацила является аминокислота b-аланин и углекислый газ, а тимина - b-аминоизомасляная кислота, аммиак и углекислый газ. Продукты распада пиримидиновых оснований выводятся с мочой.

Синтез пуринового кольца сложен, хотя и идет из весьма простых веществ –CO 2 , глицина, аспарагиновой кислоты, муравьиной кислоты и глютамина. Наряду с этими веществами в его построение вовлекается рибозо-5-фосфат. В результате образуются не свободные пуриновые основания, а мононуклеотиды.

Исходным веществом для синтеза пиримидиновых нуклеотидов является карбамилфосфат. Последний образуется из NH 3 и СО 2 при участии АТФ. Далее карбамил переносится на аминогрyппу аспарагиновой кислоты, в результате чего образуется кар-бамиласпарагиновая кислота и Н 3 Р0 4 . Сближение аминной и карбоксильной групп в молекуле карбамиласпарагиновой кислоты приводит к замыканию кольца с образованием дигидрооротовой кислоты. Последняя окисляется с участием флавинзависимых дегидрогеназ в оротовую кислоту.

÷ -Н 3 РО 4 -H 2 O

NH 2 -CO -O~Р.=O + Аспарагиновая ¾¾ ® Карбамиласпара- ¾ ®

÷ кислота гиновая кислота

(Карбамилфосфат)

Дигидрооротовая -2H ÷ ÷÷

¾® кислота ¾® O=C C-COOH

Оротовая кислота

Оротовая кислота является предшественником всех пиримидиновых оснований. Оротовая кислота вступает в соединение с рибозо-5-фосфатом, и образуется пиримидиновый нуклеотид оротидин-5-фосфат. Его декарбоксилирование приводит к возникновению уриди-ловой кислоты.

В основе синтеза нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) лежат два принципа: матричный принцип и принцип комплементарности.

ГЛАВА 10. ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ ОБМЕНОМ БЕЛКОВ ЖИРОВ И УГЛЕВОДОВ

В процессе пищеварения из кишечника в кровь в ощутимых коли чествах могут поступать галактоза или фруктоза. При расщеплении этих соединений в клетках уже на начальных этапах происходит об разование метаболитов, общих с рассмотренным нами путем распада глюкозы.

2.1.3.1. Начальный этап метаболизма галактозы

Галактоза, поступающая в клетки, подвергается фосфорилирова нию при участии фермента галактокиназы:

В следующей реакции образовавшийся Гал1ф взаимодействует с УДФглюкозой с образованием УДФгалактозы:

Реакция катализируется ферментом гексозо 1 фосфатуридилтрансфе разой.

УДФгалактоза > УДФглюкоза

Затем при взаимодействии с следующей молекулой Гал1ф обра зовавшийся в составе УДФглюкозы глюкозный остаток выделяется в виде глюкозо1фосфата. Гл1ф изомеризуется при участии фосфо глюкомутазы в гл6фосфат и включается в общий путь окисления глюкозы.

2.1.3.2. Начальный этап метаболизма фруктозы Фруктоза также после поступления в клетки подвергается фос форилированию с использованием в качестве фосфорилирующего агента АТФ. Реакция катализируется ферментом фруктокиназай. Образовавшийся Фр1ф расщепляется на глицериновый альдегид и фосфогидрокси ацетон (ФГА) при участии фермента фруктозо1фосфатальдо лазы. Глицериновый альдегид при участии фермента триозокиназы превращается в 3фосфоглицериновый альдегид, в ходе фосфорилиро вания используется молекула АТФ, переходящая в АДФ. Фосфогидр оксиацетон при участии триозофосфатизомеразы также превращается в 3фосфоглицериновый альдегид. Таким образом, из молекулы фрук тозы получается 2 молекулы 3фосфоглицеринового альдегида, а 3ФГА является промежуточным метаболитом окислительного расщепления глю козы.

Схема превращения фруктозы в 2 молекулы 3 ФГА

Возможен другой вариант начального этапа метаболизма фрукто зы. В этом случае фруктоза подвергается фосфорилированию при участии фермента гексокиназы с образованием фруктозо6фосфата с использованием в качестве фосфорилирующего агента АТФ. Однако способность гексокиназы фосфорилировать фруктозу сильно ингибиру ется в присутствии глюкозы, поэтому считается маловероятным, что бы этот вариант использования фруктозы играл скольлибо сущест венную роль в ее метаболизме.

2.1.3.3. Начальный этап метаболизма гликогена

Окислительное расщепление остатков глюкозы из молекулы гликогена чаще всего начинается с его фосфоролитического расщепления: при участии фермента фосфорилазы с использованием неорганческого фосфата от молекулы гликогена последовательно отщепляются моносахаридные блоки с образованием глюкозо1фосфата. Гл1ф при участии фосфоглюкомутазы превращается в гл6Ф метаболит окис лительного пути расщепления глюкозы. Такой путь использования гликогена характерен для клеток мышц или печени.

Для клеток мозга или кожи преобладающим является амилолити ческий путь расщепления гликогена: вначале под действием фермен тов амилазы и мальтазы гликоген расщепляется до свободной глюко зы, а затем глюкоза фосфорилируется и подвергается дальнейшему окислению уже известным нам путем.

2.1.4. Анаэробный метаболизм углеводов

Человек является аэробным организмом, так как основным ко нечным акцептором отщепляемых от окисляемых субстратов атомов во дорода является кислород. Парциальное давления кислорода в тканях составляет в среднем 3540 мм рт. ст. Но это вовсе не значит, что при определенных условиях в тканях не возникает дефицит кислорода, делающий невозможным протекание аэробных окислительных процессов. Торможение окислительных процессов при дефиците кислорода связано с тем, что клеточный пул НАД+ и других коферментов. способных ак цептировать атомы водорода от окисляемых субстратов, весьма ограни чен. Как только основная их масса переходит в восстановленное состояние изза дефицита кислорода, дегидрирование субстратов прекращается. Развивается гипоэнергетическое состояние, которое может стать причиной гибели клеток.

В подобного рода условиях в клетках различных органов и тка ней включаются механизмы, обеспечивающие клетки энергией, не за висящие от наличия кислорода. Основными из них являются анаэроб ное окисление глюкозы анаэробный гликолиз, и анаэробное расщеп ление гликогена гликогенолиз. В анаэробных условиях расщепление глюкозы и гликогена идет абсолютно идентичными по сравнению с ра нее рассмотренными нами метаболическими путями вплоть до образо вания пирувата. Однако далее эти пути расходятся: если в аэробных условиях пируват подвергается окислительному декарбоксилированию, то в анаэробных условиях пировиноградная кислота восстанавливает ся в молочную кислоту. Реакция катализируется ферментом лактатде гидрогеназой:

СООН СООН

С=О + НАДН+Н+ > НСОН + НАД+

Поскольку в ходе лактатдегидрогеназной реакции используются молекулы НАДН+Н+, ранее образовавшиеся при окислении 3фосфогли цериноваго альдегида в 1,3дифосфоглицериновую кислоту:

система становится независимой от кислорода, т.е. может работать в анаэробных условиях. Комбинация реакций, в ходе которых окисление 3ФГА в 1,3ДФГК генерирует НАДН+Н+, используемый в дальнейшем для восстановления пирувата в лактат, получила название гликоли тической оксидоредукции.

Разумеется, расщепление глюкозы до лактата сопровождается высвобождением лишь 1/12 1/13 всей заключенной в химических связях глюкозы энергии (~ 50 ккал/моль), тем не менее на каждую распавшуюся в ходе анаэробного гликолиза молекулу глюкозы клетка получает 2 молекулы АТФ (2 АТФ расходуется и 4 АТФ синтезируется). При гликогенолизе клетка получит 3 молекулы АТФ на каждый остаток глюкозы из молекулы гликогена (1 АТФ расходуется и 4 АТФ синте зируется). Несмотря на очевидную невыгодность в отношении коли чества высвобождаемой энергии анаэробные гликолиз и гликогенолиз позволяют клеткам существовать в условиях отсутствия кислорода.

Суммарное уравнение гликолиза:

Глюкоза + 2 АДФ + 2 Н3РО4Д> 2 Лактат + 2 АТФ + 2 Н2О Анаэробный путь окисления глюкозы и анаэробное расщепление гликогена играют важную роль в обеспечении клеток энергией, во первых, в условиях высокой экстренно возникающей функциональной нагрузки на тот или иной орган или организм в целом, примером че го может служить бег спортсмена на короткую дистанцию. Вовторых, эти процессы играют большую роль в обеспечении клеток энергией при гипоксичеких состояниях, например, при тромбозах артерий в период до развития коллатерального кровообращения или при тяжелых шоковых состояниях с выраженными расстройствами гемодинамики.

Активация анаэробного окисления углеводов приводит к увели чению продукции лактата в клетках и тканях. При сохранении крово обращения этот наработанный в клетках лактат выносится кровью и основная его часть метаболизируется в печени или в сердечной мыш це. В миокарде лактат окисляется до углекислого газа и воды; в печени же лишь примерно 1/5 поступающего лактата подвергается окислению до конечных продуктов, а 4/5 ресинтезируются в глюкозу в ходе интенсивно идущего в печени процесса глюконеогенеза.

Если же вынос лактата из гипоксической ткани невозможен, то при его накоплении в клетках за счет повышения концентрации про тонов ингибируется фосфофруктокиназа, в результате чего ингибиру ются и гликолиз, и гликогенолиз. Клетки, лишенные последних ис точников энергии, обычно погибают, что наблюдается при инфарктах различных органов, в особенности при инфаркте миокарда.

Следует заметить, что в клетках некоторых органов и тканей человека образование молочной кислоты происходит и в обычных, т.е. в аэробных условиях. Так. в эритроцитах, не имеющих мито хондрий. все необходимое для них количество энергии вырабатывает ся в ходе гликолиза. К тканям с относительно высоким уровнем аэ робного гликолиза относятся также сетчатка глаза и кожа. Высокий уровень аэробного гликолиза присущ также многим опухолям.

О Б М Е Н У Г Л Е В О Д О В

Биосинтетические процессы, протекающие в клетках, нуждаются не только в энергии, им необходимы также восстановительные эквиваленты в виде НАДФН+Н + и целый ряд моносахаридов, имеющих в своем составе пять атомов углерода,такие как рибоза,ксилоза и др.Образование восстановленного НАДФ идет в пентозном цикле окисления углеводов, а образование пентоз может происходить как в пентозном цикле окисления, так и в других метаболических путях.

3.1. Пентозный путь окисления углеводов

Этот метаболический путь известен также как пентозофосфатный цикл окисления глюкозы или апотомический путь окисления. Пентозный путь окисления углеводов включает в себя достаточно много отдельных парциальных реакций. Он может быть разделен на две части: окислительный его этап и неокислительный этап. Мы с вами остановимся преимущественно на его окислительном этапе, поскольку этого вполне достаточно, чтобы понять биологическую роль рассматриваемого метаболического процесса.

Итак, как обычно, первой реакцией является реакция фосфорилирования глюкозы:

Глюкоза + АТФ > Гл6ф + АДФ катализируемая гексокиназной.

На следующей стадии происходит окисление Гл-6-ф путем его дегидрирования: Реакция катализируется глюкозо6фосфатдегидрогеназай.

Далее идет взаимодействие 6фосфоглюконолактона с молекулой воды, что сопровождается разрывом цикла с образование 6фосфоглюконовой кислоты. Реакция катализируется ферментом лактоназой. А затем 6фосфоглюконат подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием рибулозо5фосфата, углекислого газа и восстановленного НАДФ; эта реакция катализируется 6 фосфоглюконатде гидрогеназой. Последовательность из двух описанных реакций представлена на приведенной ниже схеме:

Суммарное уравнение окислительного этапа пентозного цикла окисления:

Глюкоза + АТФ + 2 НАДФ + + Н 2 О > Рибулозо5ф + СО 2 + 2НАДФН+Н + + АДФ

Часто началом пентозного цикла окисления углеводов считают реакцию окисления Гл6ф, в последнем случае суммарное уравнение окислительного этапа цикла приобретает вид:

Гл6ф + 2НАДФ + + Н 2 О > Рибулозо5ф + СО 2 + 2НАДФН+Н +

В ходе неокислительного этапа цикла в результате изомеризации образуются необходимые для клетки фосфорилированные пентозы: рибозо5фосфат и ксилулозо5фосфат. Кроме того, важно отметить,что на этом этапе образуются промежуточные продукты, идентичные с промежуточными продуктами первого этапа аэробного окисления глюкозы: 3фосфоглицериновый альдедид и Фр6ф. За счет этих общих промежуточных соединений создается возможность переключения потока метаболитов с пентозного цикла окисления на путь аэробного (или анаэробного) окисления глюкозы и наоборот.

За шесть оборотов пентозного цикла окисления полностью сгорает один остаток глюкозы, так что суммарное уравнение окисления глюкозы в цикле, начиная с Гл6ф, можно представить в следующем виде:

Гл6ф + 7 Н 2 О + 12 НАДФ + > 6 СО 2 + Ф + 12 НАДФН+Н +

Пентозофосфатный цикл активно функционирует в печени, жировой ткани, коре надпочечников, семенниках и в молочной железе в период лактации. В этих тканях активно идут процессы синтеза высших жирных кислот, аминокислот или стероидов, нуждающиеся в восстановительных эквивалентах в виде НАДФН+Н + .Цикл интенсивно работает также в эритроцитах, в которых НАДФН+Н + используется для подавления перекисного окисления мембранных липидов. Мышечная ткань содержит очень малые количества глюкозо6фосфатдегидрогеназы и 6фосфоглюконатдегидрогеназы, тем не менее, она также способна синтезировать необходимую клеткам рибозу.

3.2. Путь образования глюкуроновой кислоты

Глюкуроновая кислота является соединением, выполняющим в организме несколько функций:

а) она входит в состав гетероолиго и гетерополисахаридов,выполняя таким образом структурную функцию,

б) она принимает участие в процессах детоксикации,

в) она может быть преобразована в клетках в пентозу ксилулозу (которая, кстати, является общим промежуточным метаболитом с пентозным циклом окисления глюкозы).

В организме большинства млекопитающих по этому метаболическому пути идет синтез аскорбиновой кислоты; к сожалению, у приматов и морских свинок не синтезируется один из ферментов, необходимых для превращения глюкуроновой кислоты в аскорбиновую и человек нуждается в поступлении аскорбиновой кислоты с пищей.

Схема метаболического пути синтеза глюкуроновой кислоты:

3.3. Г л ю к о н е о г е н е з

В условиях недостаточного поступления углеводов в пище или даже их полного отсутствия все необходимые для организма человека углеводы могут синтезироваться в клетках. В качестве соединений, углеродные атомы которых используются при биосинтезе глюкозы,могут выступать лактат, глицерол, аминокислоты и др. Сам процесс синтеза глюкозы из соединений неуглеводной природы носит название глюконеогенез. В дальнейшем из глюкозы или из промежуточных продуктов ее метаболизма могут быть синтезированы все другие соединения, относящиеся к углеводам.

Рассмотрим процесс синтеза глюкозы из лактата. Как мы уже упоминали, в гепатоцитах примерно 4/5 поступающего из крови лактата преобразуется в глюкозу. Синтез глюкозы из лактата не может быть простым обращением процесса гликолиза, так как в гликолиз включены три киназные реакции: гексокиназная,фосфофруктокиназная и пируваткиназная необратимые по термодинамическим причинам. Вместе с тем, в ходе глюконеогенеза используются ферменты гликолиза, катализирующие соответствующие обратимые равновесные реакции, типа альдолазы или енолазы.

Глюконеогенез из лактата начинается с превращения последнего в пируват с участием фермента лактатдегидрогеназы:

СООН СООН

2 НСОН + 2 НАД + > 2 С=О + 2 НАДН+Н +

Лактат Пируват

Наличие индекса «2» перед каждым членом уравнения реакции обусловлено тем, что для синтеза одной молекулы глюкозы требуется две молекулы лактата.

Пируваткиназная реакция гликолиза необратима, поэтому невозможно получить фосфоенолпируват (ФЭП) непосредственно из пирувата. В клетке эта трудность преодолевается с помощью обходного пути, в котором участвуют два дополнительных фермента, не работающие при гликолизе. Вначале пируват подвергается энергозависимому карбоксилированию с участием биотинзависимого фермента пируват карбоксилазы:

СООН СООН

2 С=О + 2 СО 2 + 2 АТФ > 2 С=О + 2 АДФ + 2 Ф

Щавелевоуксусная кта А затем в результате энергозависимого декарбоксилирования щавелевоуксуная кислота превращается в ФЭП. Эту реакцию катализирует фермент фосфоенолпируваткарбоксикиназа (ФЭПкарбоксикиназа) , а источником энергии является ГТФ:

Щавелево

2 уксусная + 2 ГТФ Д> 2 С ~ ОРО 3 Н 2 +2 ГДФ +2 Ф

кислота СН 2

Фосфоенолпируват

Далее все реакции гликолиза вплоть до реакции, катализируемой фосфофруктокиназой обратимы. Необходимо лишь наличие 2 молекул восстановленного НАД, но он получен в ходе лактатдегидрогеназной реакции. Кроме того, необходимы 2 молекулы АТФ для обращения фосфоглицераткиназной киназной реакции:

2 ФЭП + 2 НАДН+Н + + 2 АТФ > Фр1,6бисФ + 2НАД + + 2АДФ + 2Ф

Необратимость фосфофруктокиназной реакции преодолевается путем гидролитеческого отщепления от Фр1,6бисФ остатка фосфорной кислоты, но для этого требуется дополнительный фермент фруктозо 1,6 бисфосфатаза:

Фр1,6бисФ + Н 2 О > Фр6ф + Ф

Фруктозо6фосфат изомеризуется в глюкозо6фосфат, а от последнего гидролитеческим путем при участии фермента глюко зо6фосфатазы отщепляется остаток фосфорной кислоты, чем преодолевается необратимость гексокиназной реакции:

Гл6Ф + Н 2 О > Глюкоза + Ф

Суммарное уравнение глюконеогенеза из лактата:

2 лактат + 4 АТФ + 2 ГТФ + 6 Н 2 О >> Глюкоза + 4 АДФ + 2 ГДФ + 6 Ф

Из уравнения следует, что на синтез 1 молекулы глюкозы из 2 молекул лактата клетка затрачивает 6 макроэргических эквивалентов. Это означает, что синтез глюкозы будет идти лишь в том случае, когда клетка хорошо обеспечена энергией.

Промежуточным метаболитом глюконеогенеза являются ЩУК, которая одновременно является и промежуточным метаболитом цикла трикарбонывых кислот. Отсюда следует: любое соединение, углеродный

скелет которого может быть превращен в ходе обменных процессов в один из промежуточных продукта цикла Кребса или в пируват, может через преобразование его в ЩУК быть использовано для синтеза глюкозы. Этим путем для синтеза глюкозы используются углеродные скелеты ряда аминокислот. Некоторые аминокислоты, например, аланин или серин, в ходе своего расщепления в клетках преобразуются в пируват, также, как мы уже выяснили, являющийся промежуточным продуктом глюконеогенеза. Следовательно, и их углеродные скелеты могут быть использованы для синтеза глюкозы. Наконец, при расщеплении глицерола в клетках в качестве промежуточного продукта образуется 3фосфоглицериновый альдегид, который тоже может включаться в глюконеогенез.

Мы выяснили, что для протекания глюконеогенеза требуется 4 фермента, не принимающих участия в окислительном расщеплении глюкозы это пируваткарбоксилаза, фосфоенолпируваткарбоксикиназа, фруктозо1,6бисфосфатаза и глюкозо6фосфатаза. Естественно ожидать, что регуляторными ферментами глюконеогенеза будут ферменты, не принимающие участие в расщеплении глюкозы. Такими регуляторными ферментами являются пируваткарбоксилаза и фруктозо1,6бисфосфатаза. Активность пируваткарбоксилазы ингибируется по аллостерическому механизму высокими концентрациями АДФ,а активность Фр1,6бисфосфатазы также по аллостерическому механизму угнетается высокими концентрациями АМФ. Таким образом, в условиях дефицита энергии в клетках глюконеогенез будет заторможен, вопервых, изза недостатка АТФ, а, вовторых, изза аллостерического ингибирования двух ферментов глюконеогенеза продуктами расщепления АТФ АДФ и АМФ.

Нетрудно заметить, что скорость гликолиза и интенсивность глюконеогенеза регулируются реципрокно. При недостатке энергии в клетке работает гликолиз и ингибирован глюконеогенез, в то время как при хорошем энергетическом обеспечении клеток в них работает глюконеогенез и ингибировано расщепление глюкозы.

Важным звеном в регуляции глюконеогенеза являются регуляторные эффекты ацетилКоА, который выступает в клетке как аллостерический ингибитор пируватдегидрогеназного комплекса и одновременно служит аллостерическим активатором пируваткарбоксилазы. Накопление ацетилКоА в клетке, образующегося в больших количествах при окислении высших жирных кислот, ингибирует аэробное окисление глюкозы и стимулирует её синтез.

Биологическая роль глюконеогенеза чрезвычайно велика, так как глюконеогенез не только обеспечивает органы и ткани глюкозой, но еще и перерабатывает образующийся в тканях лактат, препятствуя тем самым развитию лактатацидоза. За сутки в организме человека за счет глюконеогенеогенеза может быть синтезировано до 100120 г глюкозы, которая в условиях дефицита углеводов в пище в первую очередь идет на обеспечение энергетики клеток головного мозга. Кроме того, глюкоза необходима клеткам жировой ткани как источник глицерола для синтеза резервных триглицеридов, глюкоза необходима клеткам различных тканей для по ержания нужной им концентрации промежуточных метаболитов цикла Кребса, глюкоза служит единственным видом энергетического топлива в мышцах в условиях гипоксии, её окисление является также единственным источником энергии для эритроцитов.

3.4. Общие представления об обмене гетерополисахаридов

Соединения смешанной природы, одним из компонентов которых является углевод, получили собирательное название гликоконьюгаты. Все гликоконьюгаты принято делить на три класса:

1.Гликолипиды.

2.Гликопротеиды (на углеводный компонент приходится не более 20% общей массы молекулы).

3.Гликозаминопротеогликаны (на белковую часть молекулы обычно приходится 23% общей массы молекулы).

Биологическая роль этих соединений была рассматрена ранее. Следует лишь еще раз упомянуть о большом разнообразии мономерных единиц, образующих углеводные компоненты гликоконьюгатов: моносахариды с различным числом атомов углерода, уроновые кислоты, аминосахара, сульфатированные формы различных гексоз и их производных, ацетилированные формы аминосахаров и др. Эти мономеры могут быть соединены между собой различными типами гликозидных связей с образованием линейных или разветвленных структур, и если из 3 различных аминокислот можно построить лишь 6 различных пептидов, то из 3 мономеров углеводной природы можно построить до 1056 разных олигосахаридов. Такое разнообразие структуры гетерополимеров углеводной природы говорит о колоссальном объёме содержащейся в них информации, вполне сопоставимом с объемом информации, имеющимся в белковых молекулах.

3.4.1. Представление о синтезе углеводных компонентов гликозаминопротеогликанов

Углеводными компонентами гликозаминопротеогликанов являются гетерополисахариды: гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты, кератансульфат или дерматансульфат, присоединенные к полипептидной части молекулы с помощью Огликозидной связи через остаток серина. Молекулы этих полимеров имеют неразветвленную структуру. В качестве примера можно привести схему строения гиалуроновой кислоты:

Из приведенной схемы следует,что молекула гиалуроновой кислоты присоединена к полипептидной цепи белка с помощью Огликозидной связи. Сама же молекула состоит из связующего блока, состоящего из 4 мономерных единиц (Кси, Гал, Гал и Гл.К), соединенных между собой опятьтаки гликозидными связями и основной части, построенной из «n»ного числа биозных фрагментов, в состав каждого из которых входит остаток ацетилглюкозамина (АцГлАм) и остаток глюкуроновой кислоты (Гл.К), причем связи внутри блока и между блоками-Огликозидные. Число «n» составляет несколько тысяч.

Синтез полипептидной цепи идет на рибосомах с помощью обычного матричного механизма. Далее полипептидная цепь поступает в аппарат Гольджи и уже непосредственно на ней происходит сборка гетерополисахаридной цепи. Синтез носит нематричный характер, поэтому последовательность присоединения мономерных единиц определяется специфичностью участвующих в синтезе ферментов. Эти ферменты носят общее название гликозилтрансферазы. Каждая отдельная гликозилтрансфераза обладает субстратной специфичностью как к присоединяемому ею моносахаридному остатку, так и к структуре надстраиваемого ею полимера.

Пластическим материалом для синтеза служат активированные формы моносахаридов. В частности, при синтезе гиалуроновой кислоты используются УДФпроизводные ксилозы, галактозы, глюкуроновой кислоты и ацетилглюкозамина.

Вначале под действием первой гликозилтрансферазы (Е 1) происходит присоединение остатка ксилозы к радикалу серина полипептидной цепи, затем при участии двух различных гликозилтрансфераз (Е 2 и Е 3) к строящейся цепи присоединяется 2 остатка галактозы и при действии четвертой галактозилтрансферазы (Е 4) завершается формирование связующего олигомерного блока присоединением остатка глюкуроновой кислоты. Дальнейшее наращивание полисахаридной цепи идет путем повторного чередующегося действия двух ферментов, один из которых катализирует присоединение остатка ацетилглюкозамина (Е 5) , а другой остатка глюкуроновой кислоты (Е 6).

Синтезированная таким образом молекула поступает из аппарата Гольджи в область наружной клеточной мембраны и секретируется в межклеточное пространство.

В состав хондроитинсульфатов, кератансульфатов и др. гликозаминогликанов встречаются сульфатированные остатки мономерных единиц. Это сульфатирование происходит после включения соответствующего мономера в полимер и катализируется специальными ферментами. Источником остатков серной кислоты является фосфоаденозинфосфосульфат (ФАФС) активированная форма серной кислоты.

Окисление глюкозы до СО 2 и Н 2 О (аэробный распад). Аэробный распад глюкозы можно выразить суммарным уравнением:

С 6 Н 12 О 6 + 6 О 2 > 6 СО 2 + Н 2 О + 2820 кДж/моль.

Этот процесс включает несколько стадий (рис. 7-33).

Аэробный гликолиз - процесс окисления глюкозы с образованием двух молекул пирувата;

Общий путь катаболизма, включающий превращение пирувата в ацетил-КоА и его дальнейшее окисление в цитратом цикле;

ЦПЭ на кислород, сопряжённая с реакциями дегидрирования, происходящими в процессе распада глюкозы.

В определённых ситуациях обеспечение кислородом тканей может не соответствовать их потребностям. Например, на начальных стадиях интенсивной мышечной работы при стрессе сердечные сокращения могут не достигать нужной частоты, а потребности мышц в кислороде для аэробного распада глюкозы велики. В подобных случаях включается процесс, который протекает без кислорода и заканчивается образованием лактата из пировиноградной кислоты. Этот процесс называют анаэробным распадом, или анаэробным гликолизом. Анаэробный распад глюкозы энергетически малоэффективен, но именно этот процесс может стать единственным источником энергии для мышечной клетки в описанной ситуации. В даньнейшем, когда снабжение мышц кислородом будет достаточным в результате перехода сердца на ускоренный ритм, анаэробный распад переключается на аэробный. Пути катаболизма глюкозы и их энергетический эффект показаны на рис. 7-34.

Б. Аэробный гликолиз

Аэробным гликолизом называют процесс окисления глюкозы до пировиноградной кислоты, протекающий в присутствии кислорода. Все ферменты, катализирующие реакции этого процесса, локализованы в цитозоле клетки.

1. Этапы аэробного гликолиза

В аэробном гликолизе можно выделить 2 этапа.

Подготовительный этап, в ходе которого глюкоза фосфорилируется и расщепляется на две молекулы фосфотриоз. Эта серия реакций протекает с использованием 2 молекул АТФ.

Этап, сопряжённый с синтезом АТФ. В результате этой серии реакций фосфотриозы превращаются в пируват. Энергия, высвобождающаяся на этом этапе, используется для синтеза 10 моль АТФ.

2. Реакции аэробного гликолиза

Превращение глюкозо-6-фосфата в 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата

Глюкозо-6-фосфат, образованный в результате фосфорилирования глюкозы с участием АТФ, в ходе следующей реакции превращается в фруктозо-6-фосфат. Эта обратимая реакция изомеризации протекает под действием фермента глюкозофосфатизомеразы.

Затем следует ещё одна реакция фосфорилирования с использованием фосфатного остатка и энергии АТФ. В ходе этой реакции, катализируемой фосфофруктокиназой, фруктозо-6-фосфат превращается в фруктозо-1,6-бисфосфат. Данная реакция, так же, как гексокиназная, практически необратима, и, кроме того, она наиболее медленная из всех реакций гликолиза. Реакция, катализируемая фосфофруктокиназой, определяет скорость всего гликолиза, поэтому, регулируя активность фосфофруктокиназы, можно изменять скорость катаболизма глюкозы.

Фруктозо-1,6-бисфосфат далее расщепляется на 2 триозофосфата: глицеральдегид-3-фосфат и дигидроксиацетонфосфат. Реакцию катализирует фермент фруктозобисфосфатальдолаза, или просто альдолаза. Этот фермент катализирует как реакцию альдольного расщепления, так и альдольной конденсации, т.е. обратимую реакцию. Продукты реакции альдольного расщепления - изомеры. В последующих реакциях гликолиза используется только глицеральдегид-3-фосфат, поэтому дигидроксиацетонфосфат превращается с участием фермента триозофосфатизомеразы в глицероальдегид-3-фосфат (рис. 7-35).

В описанной серии реакций дважды происходит фосфорилирование с использованием АТФ. Однако расходование двух молекул АТФ (на одну молекулу глюкозы) далее будет компенсировано синтезом большего количества АТФ.

Превращение глицеральдегид-3-фосфата в пируват

Эта часть аэробного гликолиза включает реакции, связанные с синтезом АТФ. Наиболее сложной в данной серии реакций является реакция превращения глицеральдегид-3-фосфата в 1,3-бисфосфоглицерат. Это превращение - первая реакция окисления в ходе гликолиза. Реакцию катализирует глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа, которая является NAD-зависимым ферментом. Значение данной реакции заключается не только в том, что образуется восстановленный кофермент, окисление которого в дыхательной цепи сопряжено с синтезом АТФ, но также и в том, что свободная энергия окисления концентрируется в макроэргической связи продукта реакции. Глицеральдегид- 3 -фосфатдегидрогеназа содержит в активном центре остаток цистеина, сульфгидрильная группа которого принимает непосредственное участие в катализе. Окисление глицеральдегид-3-фосфата приводит к восстановлению NAD и образованию с участием Н3РО4 высокоэнергетической ангидридной связи в 1,3-бисфосфоглицерате в положении 1. В следующей реакции высокоэнергетический фосфат передаётся на АДФ с образованием АТФ. Фермент, катализирующий это превращение, назван по обратной реакции фосфоглицераткиназой (киназы называются по субстрату, находящемуся в уравнении реакции по одну сторону с АТФ). Данная серия реакций показана на рис. 7-36.

Образование АТФ описанным способом не связано с дыхательной цепью, и его называют субстратным фосфорилированием АДФ. Образованный 3-фосфоглицерат уже не содержит макроэргической связи. В следующих реакциях происходят внутримолекулярные перестройки, смысл которых сводится к тому, что низкоэнергетическийфосфоэфир переходит в соединение, содержащее высокоэнергетический фосфат. Внутримолекулярные преобразования заключаются в переносе фосфатного остатка из положения 3 в фосфоглицерате в положение 2. Затем от образовавшегося 2-фосфоглицерата отщепляется молекула воды при участии фермента енолазы. Название дегидратирующего фермента дано по обратной реакции. В результате реакции образуется замещённый енол - фосфоенолпируват. Образованный фосфоенолпируват - макроэргическое соединение, фосфатная группа которого переносится в следующей реакции на АДФ при участии пируваткиназы (фермент также назван по обратной реакции, в которой происходит фосфорилирование пирувата, хотя подобная реакция в таком виде не имеет места).

Превращение фосфоенолпирувата в пируват - необратимая реакция. Это вторая в ходе гликолиза реакция субстратного фосфорилирования. Образующаяся енольная форма пирувата затем неферментативно переходит в более термодинамически стабильную кетофор-му. Описанная серия реакций представлена на рис. 7-37.

Рис. 7-37. Превращение 3-фосфоглицерата в пируват.

Схема 10 реакций, протекающих при аэробном гликолизе, и дальнейшее окисление пирувата представлены на рис. 7-33.

Окисление цитоплазматического NADH в митохондриалъной дыхательной цепи. Челночные системы

NADH, образующийся при окислении глицеральдегид-3-фосфата в аэробном гликолизе, подвергается окислению путём переноса атомов водорода в митохондриальную дыхательную цепь. Однако цитозольный NADH не способен передавать водород на дыхательную цепь, потому что митоховдриальная мембрана для него непроницаема. Перенос водорода через мембрану происходит с помощью специальных систем, называемых "челночными". В этих системах водород транспортируется через мембрану при участии пар субстратов, связанных соответствующими дегидрогеназами, т.е. с обеих сторон митохондри-альной мембраны находится специфическая дегидрогеназа. Известны 2 челночные системы. В первой из этих систем водород от NADH в цитозоле передаётся на дигидроксиацетонфосфат ферментом глицерол-3-фосфатдегидрогеназой (NAD-зависимый фермент, назван по обратной реакции). Образованный в ходе этой реакции глицерол-3-фосфат, окисляется далее ферментом внутренней мембраны митохондрий - глицерол-3-фосфатдегидрогеназой (FAD-зависимым ферментом). Затем протоны и электроны с FADH 2 переходят на убихинон и далее по ЦПЭ (рис. 7-38).

Глицеролфосфатная челночная система работает в клетках белых мышц и гепатоцитов. Однако в клетках сердечных мышц митохондриальная глицерол-3-фосфатдегидрогеназа отсутствует. Вторая челночная система, в которой участвуют малат, цитозольная и митоховдриальная малат-дегидрогеназы, является более универсальной. В цитоплазме NADH восстанавливает оксалоа-цетат в малат (рис. 7-39, реакция 1), который при участии переносчика проходит в митохондрии, где окисляется в оксалоацетат NAD-зависимой маЛатдегидрогеназой (реакция 2). Восстановленный в ходе этой реакции NAD отдаёт водород в митоховдриальную ЦПЭ. Однако образованный из малата оксалоацетат выйти самостоятельно из митохондрий в цитозоль не может, так как мембрана митохондрий для него непроницаема. Поэтому оксалоацетат превращается в аспартат, который и транспортируется в цитозоль, где снова превращается в оксалоацетат. Превращения оксалоацетата в аспартат и обратно связаны с присоединением и отщеплением аминогруппы (реакции трансаминирования, см. раздел 9). Эта челночная система называется малат-аспартатной (рис. 7-39). Результат её работы - регенерация цитоплазматического NAD + из NADH.

Обе челночные системы существенно отличаются по количеству синтезированного АТФ. В первой системе соотношение Р/О равно 2, так как водород вводится в ЦПЭ на уровне KoQ. Вторая система энергетически более эффективна, так как передаёт водород в ЦПЭ через митохондриальный NAD + и соотношение Р/О близко к 3.

4. Баланс АТФ при аэробном гликолизе и распаде глюкозы до СО2 и Н2О

Выход АТФ при аэробном гликолизе

На образование фруктозо-1,6-бисфосфата из одной молекулы глюкозы требуется 2 молекулы АТФ (реакции 1 и 3 на рис. 7-33). Реакции, связанные с синтезом АТФ, происходят после распада глюкозы на 2 молекулы фосфотриозы, т.е. на втором этапе гликолиза. На этом этапе происходят 2 реакции субстратного фосфорилирования и синтезируются 2 молекулы АТФ (реакции 7 и 10). Кроме того, одна молекула глицеральдегид-3-фосфата дегидрируется (реакция 6), a NADH передаёт водород в митохондриальную ЦПЭ, где синтезируется 3 молекулы АТФ путём окислительного фосфорилирования. В данном случае количество АТФ (3 или 2) зависит от типа челночной системы. Следовательно, окисление до пирувата одной молекулы глицеральдегид-3-фосфата сопряжено с синтезом 5 молекул АТФ. Учитывая, что из глюкозы образуются 2 молекулы фосфотриозы, полученную величину нужно умножить на 2 и затем вычесть 2 молекулы АТФ, затраченные на первом этапе. Таким образом, выход АТФ при аэробном гликолизе составляет (5Ч2) - 2 = 8 АТФ.

Выход АТФ при аэробном распаде глюкозы до конечных продуктов

В результате гликолиза образуется пируват, который далее окисляется до СО 2 и Н 2 О в ОПК, описанном в разделе 6. Теперь можно оценить энергетическую эффективность гликолиза и ОПК, которые вместе составляют процесс аэробного распада глюкозы до конечных продуктов (табл. 7-4).

Таким образом, выход АТФ при окислении 1 моль глюкозы до СО 2 и Н 2 О составляет 38 моль АТФ.

В процессе аэробного распада глюкозы происходят 6 реакций дегидрирования. Одна из них протекает в гликолизе и 5 в ОПК (см. раздел 6). Субстраты для специфических NAD-зависимых дегидрогеназ: глицеральдегид-3-фосфат, жируват, изоцитрат, б-кетоглутарат, малат. Одна реакция дегидрирования в цитратном цикле под действием сукцинатдегидрогеназы происходит с участием кофермента FAD. Общее количество АТФ, синтезированное путём окислительного фофорилирования, составляет 17 моль АТФ на 1 моль глицеральдегидфосфата. К этому необходимо прибавить 3 моль АТФ, синтезированных путём субстратного фосфорилирования (две реакции в гликолизе и одна в цитратном цикле).

Рис. 7-38. Глицерофосфатная челночная система. 1 - глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа; 2 - глицерол-3-фосфатдегидрогеназа (цитозольный фермент, назван по обратной реакции); 3 - глицерол-3-фосфатдегидрогеназа (митохондриальныи флавиновый фермент).

Таблица 7-4. Этапы аэробного распада глюкозы

Учитывая, что глюкоза распадается на 2 фос-фотриозы и что стехиометрический коэффициент дальнейших превращений равен 2, полученную величину надо умножить на 2, а из результата вычесть 2 моль АТФ, использованные на первом этапе гликолиза.