6,7Обмен фруктозы и галактозы

Фруктоза включается в путь распада глюкозы на стадии триозофосфатов (рис. 100, а). С наследственной недостаточно­стью фруктозо-1-фосфатальдолазы (фермент 2 на схеме) связана врожденная непереносимость фруктозы. В этом случае при нали­чии в пище фруктозы в тканях накапливается фруктозо-1-фосфат! (вследствие блока реакции 2), который ингибирует альдолазу фруктозо-1,6-бисфосфата. В результате нарушается и распад, и синтез глюкозы. Кроме того, фруктозо-1-фосфат ингибирует фосфорилазу гликогена. Эти причины приводят к появлению гипоглюкоземии после приема пищи, содержащей фруктозу. Болезнь обычно обнаруживается после перехода с грудного кормления на пищу, содержащую сахарозу, и проявляется при­ступами рвоты и судорог после еды. При устранении фруктозы из рациона дети развиваются нормально.

Известно также наследственное-нарушение обмена — фрукто-земия, вызываемая недостаточностью фруктокиназы. Поступаю­щая в организм фруктоза не подвергается никаким изменениям, обнаруживается в крови и выводится с мочой. Каких-либо дру­гих симптомов при фруктоземии не наблюдали.

Галактоза включается в метаболизм путем превращения в глюкозо-1-фосфат (рис. 100,6). Известно наследственное забо­левание — галактоземия, при котором имеется недостаточность галактозо-1-фосфат-уридилтрансферазы (фермент 2 на схеме б). Болезнь обнаруживается с первых дней после рождения, прояв­ляется в отказе от еды, рвоте, поносе. Характерным для галакто-земии является развитие помутнения хрусталика (катаракта). Перевод на пищу, не содержащую галактозы, полностью предот­вращает все проявления болезни. Однако уже развившаяся катаракта при этом не исчезает.

9.

10 Окисление пирувата до ацетил-КоА происходит при участии ряда фермен­тов и коферментов, объединенных структурно в мультиферментную систе­му, получившую название «пируватдегидрогеназный комплекс».

11. Седьмая реакция катализируется фосфоглицераткиназой, при этом происходит передача богатого энергией фосфатного остатка (фосфатной группы в положении 1) на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфогли-цериновой кислоты (3-фосфоглицерат):

Таким образом, благодаря действию двух ферментов (глицеральде-гидфосфатдегидрогеназы и фосфоглицераткиназы) энергия, высвобождаю­щаяся при окислении альдегидной группы глицеральдегид-3-фосфата до карбоксильной группы, запасается в форме энергии АТФ. В отличие от окислительного фосфорилирования образование АТФ из высокоэнерге­тических соединений называется субстратным фосфорилированием.

Десятая реакция характеризуется разрывом высокоэргической связи и переносом фосфатного остатка от фосфоенолпирувата на АДФ (субстрат­ное фосфорилирование). Катализируется ферментом пируваткиназой:

Для действия пируваткиназы необходимы ионы Mg²⁺, а также одно­валентные катионы щелочных металлов (К⁺ или др.). Внутри клетки реакция является практически необратимой.

12 Выход АТФ при аэробном распаде глюкозы. Основное фи­зиологическое назначение аэробного распада глюкозы заключа­ется в использовании ее энергии для синтеза АТФ. В этом мета­болическом пути имеется ряд стадий, ведущих к синтезу АТФ:

Три реакции субстратного фосфорилирования (7-я, 10-я и

одна — в нитратном цикле) . ......... 3 АТФ

Пять реакций дегидрирования, акцептор НАД+ (Р/0=3) 15 АТФ

Одна реакция дегидрирования, акцептор убихинон

(Р/О -2)................. 2 АТФ

Всего..................20 АТФ

Все реакции, связанные с синтезом АТФ, происходят после рас­щепления гексозы на две триозы. Поэтому, учитывая стехио-метрический коэффициент, полученную величину нужно умно­жить на 2, т. е. в расчете на 1 моль распадающейся глюкозы синтезируется 40 моль АТФ. В начальных стадиях (реакции 1 и 3) затрачивается 2 моль АТФ; после их вычитания получаем чистый выход — 38 моль АТФ на 1 моль глюкозы.

Полная энергия распада глюкозы составляет 2880 кДж/моль. Свободная энергия гидролиза высокоэнергетической связи АТФ равна 50 кДж/моль. Для синтеза АТФ при окислении глюкозы используется 38-50=1900 кДж, что составляет около 65% от всей энергии распада глюкозы. Это максимально возможная эффективность использования энергии глюкозы. Следует иметь в виду, что реальная эффективность может быть существенно ниже; возможно, образуется всего около 25 моль АТФ на 1 моль глюкозы.

13. Анаэробный гликолиз – сложный ферментативный процесс распада глю­козы, протекающий в тканях человека и животных без потребления кисло­рода. Конечным продуктом гликолиза является молочная кислота. В про­цессе гликолиза образуется АТФ. Суммарное уравнение гликолиза можно представить следующим образом:

С₆Н₁₂О₆ + 2АДФ + 2Ф_Н –> 2СН₃СН(ОН)СООН + 2АТФ + 2Н₂О.

В анаэробных условиях гликолиз – единственный процесс в животном организме, поставляющий энергию. Именно благодаря гликолизу организм человека и животных определенный период может осуществлять ряд фи­зиологических функций в условиях недостаточности кислорода. В тех случаях, когда гликолиз протекает в присутствии кислорода, говорят об аэробном гликолизе *.

16Молочная кислота не является конечным продуктом обмена, но ее образование — это тупиковый путь метаболизма: един­ственный способ использования молочной кислоты связан с ее превращением вновь в пируват при участии той же лактатдегид-рогеназы:

СН₃—СНОН—СООН + НАД+ — -* СНз—СО—СООН + НАД • Н + Н+

Из клеток, в которых происходит гликолиз, образующаяся молочная кислота поступает в кровь и улавливается в основном печенью, где и превращается в пируват. Пируват в печени час­тично окисляется, частично превращается в глюкозу — цикл Кори, или глюкозо-лактатный цикл

17Глюконеогенез – синтез глюкозы из неуглеводных продуктов. Такими про­дуктами или метаболитами являются в первую очередь молочная и пи-ровиноградная кислоты, так называемые гликогенные аминокислоты, гли-церол и ряд других соединений. Иными словами, предшественниками глюкозы в глюконеогенезе может быть пируват или любое соединение, превращающееся в процессе катаболизма в пируват или один из проме­жуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот

Регуляция глюконеогенеза. Важным моментом в регуляции глюконеоге­неза является реакция, катализируемая пируваткарбоксилазой. Роль по­ложительного аллостерического модулятора этого фермента выполняет ацетил-КоА. В отсутствие ацетил-КоА фермент почти полностью лишен активности. Когда в клетке накапливается митохондриальный ацетил-КоА, биосинтез глюкозы из пирувата усиливается. Известно, что ацетил-КоА одновременно является отрицательным модулятором пируватдегидроге-назного комплекса (см. далее). Следовательно, накопление ацетил-КоА замедляет окислительное декарбоксилирование пирувата, что также спо­собствует превращению последнего в глюкозу.

Другой важный момент в регуляции глюконеогенеза - реакция, ката­лизируемая фруктозо-1,6-бисфосфатазой - ферментом, который ингибиру-ется АМФ. Противоположное действие АМФ оказывает на фосфофруктокиназу, т. е. для этого фермента он является аллостерическим активатором. При низкой концентрации АМФ и высоком уровне АТФ происходит стимуляция глюконеогенеза. Напротив, когда величина отношения АТФ/АМФ мала, в клетке наблюдается расщепление глюкозы.

18Образование фосфоенолпирувата из пирувата. Синтез фосфоенолпирувата осуществляется в несколько этапов. Первоначально пируват под влиянием пируваткарбоксилазы и при участии СО₂ и АТФ карбоксилируется * с об­разованием оксалоацетата:

Затем оксалоацетат в результате декарбоксилирования и фосфорили-рования под влиянием фермента фосфоенолпируваткарбоксилазы превра­щается в фосфоенолпируват. Донором фосфатного остатка в реакции служит гуанозинтрифосфат (ГТФ):

Превращение фруктозо-1,6-бисфосфата во фруктозо-6-фосфат. Фосфо-енолпируват, образовавшийся из пирувата, в результате ряда обратимых реакций гликолиза превращается во фруктозо-1,6-бисфосфат. Далее следует фосфофруктокиназная реакция, которая необратима. Глюконеогенез идет в обход этой эндергонической реакции. Превращение фруктозо-1,6-бис-фосфата во фруктозо-6-фосфат катализируется специфической фосфатазой:

Фруктозо-1,6-бисфосфат + Н₂О-------------------* Фруктозо-6-фосфат + P_i.

Фруктозо-бисфосфатаза

Образование глюкозы из глюкозо-6-фосфата. В последующей обратимой стадии биосинтеза глюкозы фруктозо-6-фосфат превращается в глюкозо-6-фосфат. Последний может дефосфорилироваться (т.е. реакция идет в обход гексокиназной реакции) под влиянием фермента глюкозо-6-фос-фатазы:

Глюкозо-6-фосфат + Н₂O-------------------------------Глюкоза + Р.

Глюкозо-6-фосфатаза

На рис. 10.7 представлены «обходные» реакции глюконеогенеза при биосинтезе глюкозы из пирувата и лактата.

Роль Биотина

Биохимические функции. Витамин Н способ­ствует усвоению тканями ионов бикарбоната (но не С0₂) и активирует реакции карбоксилирова-ния и транскарбоксилирования в составе следу­ющих карбоксибиотинилферментов: