Биохимия пособие Коновалова 2012

дегидрогеназы, у которого атом азота положительно заряжен и оттяги­ вает электронную плотность. Вследствие поляризации связи у второго углеродного атома водород становится подвижным, а на атоме углерода остается электронная пара, т.е. он представляет карбанион, который атакует положительно заряженный углеродный атом пирувата. Образу­ ется карбоксиэтилтиаминпирофосфат, который легко декарбоксилируется и превращается в оксизтилтиаминпирофосфат.

оксиэтил-ТПФ

Образовавшийся оксиэтил-ТПФ взаимодействует с липоевой ки­ слотой - коферментом дигидролипоилтрансацетилазы.

Происходит окисление оксиэтильной группы в ацетильную с пе­ реносом ее на липоевую кислоту, а тиаминпирофосфат выделяется. Дигидролипоилгрансацетилаза переносит ацетильный радикал на HS-KoA, а липоевая кислота восстанавливается.

141

Дигидролипоилдегидрогеназа окисляет восстановленную липое-

Ф А Д Н 2+ HAJT -+ ФАД + НАД Н + Н

Протоны и электроны с восстановленного НАД идут в дыхатель­ ную цепь ферментов и переносятся на кислород с образованием воды. В результате образуются ЗАТФ. Образовавшийся ацетил-КоА вступает в цикл трикарбоновых кислот.

Цикл трикарбоновых кислот

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

Ацетил-КоА вступает в реакцию конденсации со щавелевоуксус­ ной кислотой при участии цитратсинтазы с присоединением воды. В ре­ зультате выделяется HS-KQA и образуется лимонная кислота. Цитратсинтаза - регуляторный Фермент: активируется субстратом, ингибиру­ ется АТФ и НАД-Н + Н+.

142

ление изоцитрата в щавелевоянтарную -кислоту. Кофермент НАД вое- J станавливается и отдает протоны и электроны в полную дыхательную ц е п ь . Образуется вода и три молекулы АТФ. Изоцитратдегидрогеназа _ также регуляторный фермент: активируется АДФ, ингибируется дТФиНАДН+Н*.

Образовавшийся оксалсукцинат является неустойчивым соедине­ нием и сразу декарбоксилируется, превращаясь в а-кетоглутаровую ки­ слоту. На а-кетоглутарат действует а-кетоглутаратдегидрогеназный полиферментный комплекс, который идентичен по строению гшруватдегидрогеназному комплексу и имеет такие же коферменты. Происходит окислительное декарбоксилирование, и образуется сукцинил-КоА и НАД-Н+НГ, который отдает протоны и электроны в полную дыхатель­

В сукцинил-КоА имеется связь, богатая энергией. Под действием сУкцинаттиокиназы при участии ортофосфата происходит перенос макРоэргической связи на ГДФ. Выделяется HS-KoA. Образовавшаяся мо­

1 4 3

ГДФ. Молекулы ГДФ могут снова фосфорилироваться. Это субстрат­ ное фосфорилирование.

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

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

Фумарат гидратируется фумаратгидратазой с образованием яб­ лочной кислоты, которая окисляется малатдегидрогеназой в щавелево­ уксусную кислоту.

‘/г02 + ЗАДФ

н а д ++н 2о+ ЗАТФ

Кофермент малатдегидрогеназы НАД восстанавливается и отдает протоны и электроны в полную дыхательную цепь. Образуются ЗАТФ. В итоге возникает щавелевоуксусная кислота, которая вновь может вступить в конденсацию с ацетил-КоА с образованием цитрата, т.е. замкнулся цикл. Поэтому превращения и носят название цикла Кребса или трикарбоновых кислот, в котором небольшое количество щавеле­ воуксусной кислоты обеспечивает окисление больших количеств аце- тил-КоА.

КоА-продукта распада углеводов, липидов, белков путем последова­ тельных декарбоксилирований и дегидрирований.

2. Цикл является третьей стадией катаболизма и первой - анабо­ лизма и связывает эти процессы, поэтому называется амфиболической стадией.

144

3. Цикл является генератором протонов и электронов для дыха­ тельных цепей, транспорт по которым сопровождается аккумулировацлем энергии в макроэргических связях АТФ (11АТФ образуются за сЧет окислительного фосфорилирования).

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

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

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

Лекция 11

ТРАНСМЕМБРАННЫЙ ТРАНСПОРТ ГЛЮКОЗЫ

Транспорт моносахаридов из просвета кишечника в клетки слизистой оболочки может осуществляться путем облегченной диф­ фузии и активного транспорта. При активном транспорте глюкоза и Na+ проходят вместе путем симпорга, связываясь с разными участками белка-переносчика. При этом Na+ поступает в клетку под влиянием электрохимического градиента и “тащит” глюкозу за собой. Следова­ тельно, чем больше градиент концентрации Na+, тем больше поступле­ ние глюкозы. Если концентрация Na+ во внеклеточной жидкости уменьшается, транспорт глюкозы подавляется. Градиент концентрации Na+, являющийся движущей силой этого симпорга, создается работой Na+, К+-насоса (вторично-активный транспорт).

Глюкоза из клеток кишечника затем перемещается во внекле­ точную жидкость и далее в кровь с помощью облегченной диффузии. Поступающая из кишечника глюкоза с кровью воротной вены попадает в печень, где часть ее задерживается, а часть через общий кровоток по­ падает в клетки других органов и тканей.

Потребление глюкозы клетками из кровотока происходит так­ же путем облегченной диффузии при участии специальных белковтранспортеров. Следовательно, скорость трансмембранного потока глюкозы зависит только от градиента ее концентрации. Исключением являются клетки мышц и жировой ткани, где облегченная диффузия ре­ гулируется инсулином (гормон поджелудочной железы). В отсутствие

145

инсулина плазматическая мембрана этих клеток непроницаема для пдо. козы, т.к. в ней нет белков-переносчиков для глюкозы. Белкипереносчики (транспортеры глюкозы —ГШОТ) обнаружены во всех тканях. Существует 5 типов ГЛЮТ, которые пронумерованы по поряд. ку их обнаружения.

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

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

ГЛЮТ-2 обнаружен в клетках органов, выделяющих глюкозу в кровь. Именно при участии ГЛЮТ-2 глюкоза переходит в кровь из энтероцитов после ее всасывания в кишечнике.

ГЛЮТ-3 обладает большим, чем ГЛЮТ-1, сродством к глюкозе. Он также обеспечивает постоянный приток глюкозы к клеткам нервной ткани.

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

Его функции известны недостаточно.

Все типы ГЛЮТ могут находиться как в плазматической мембран не, так И в цитозольных везикулах. В отсутствии инсулина ГЛЮТ-4 (и в меньшей мере ГЛЮТ-1) почти полностью находятся в цитоплазме. Влияние инсулина на такие клетки приводит к перемещению везикул, содержащих ГЛЮТ, к плазматической мембране и их слиянию с ней, после чего возможен облегченный транспорт глюкозы в эти клетки. По­ сле снижения концентрации инсулина в крови белки-транспортеры глюкозы снова перемещаются в цитозоль.

В клетки печени_глюкоза проходит при участии ГЛЮТ-2, неза­ висимого от инсулина. Концентрация глюкозы в гепатоцигах в период пищеварения повышается соответственно ее уровню в крови воротной вены. В этих условиях фосфорилирование глюкозы в гепатоцигах обес­ печивается свойствами глюкокиназы, которая имеет высокое значение Km и не ингибируется продуктом реакции. Кроме того, ГЛЮТ-2 также

146

ееТ высокую Km. Следовательно, скорость поступления глюкозы в репатоциты и ее фосфорилирование увеличиваются во время пищеваренця пропорционально повьппению ее концентрации в крови. Хотя инсудлн и не влияет на транспорт глюкозы, он усиливает приток глюкозы в гепатоцит в период пищеварения косвенным путем, индуцируя синтез глюкокиназы и ускоряя тем самьгм фосфорилирование глюкозы.

Транспорт глюкозы из первичной мочи в клетки канальцев происходит путем вторично-активного транспорта подобно тому, как это происходит с люминальной стороны кишечника в клетки. Благодаря этому глюкоза может поступать в клетки канальцев даже в том случае, если ее концентрация в первичной моче меньше, чем в клетках. Глюкоза реабсорбируется из первичной мочи почти полностью (на 99%) в ко­ нечной части канальцев.

Лекция 12

ОБМЕН УГЛЕВОДОВ. АЭРОБНЫЙ РАСПАД ГЛЮКОЗЫ

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

Все углеводы условно делят на две группы:

1.Углеводы с преимущественно энергетической функцией. К ним относится глюкоза, являющаяся транспортной формой углеводов у животных организмов (содержание в крови составляет 3,65-6,11 ммоль/л). Запасным углеводом животных является полисахарид глико­ ген, депонируемый в печени (содержание на сырую массу ткани до 5%, абсолютное количество до 150 г) и мышечной ткани (до 2%). Запасным углеводом растений является полисахарид крахмал, а транспортной формой - сахароза

2.Углеводы с преимущественно структурной функцией. К этой группе относятся гликопротеины и гликолипиды, гетерополисаха­ риды —гликозаминогликаны, у растений - клетчатка.

Углеводы выполняют очень важные функции:

1.Энергетическая — окисление углеводов поставляет 60-70% всей энергии, необходимой для организма.

2.Структурная —углеводы входят в состав мембран клеток; гликозаминогликаны участвуют в формировании соединительной тка­ ни; пентозы входят в состав нуклеиновых кислот, нуклеотидов, кофак­

147

торов ферментов.

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

4.Углеводные компоненты имеются в иммуноглобулинах, вы­ полняющих защитную функцию.

5.Гепарин, относящийся к гликозаминогликанам, активирует липопротеинлипазу; являясь антикоагулянтом, входит в противосвер-

тывающую систему.

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

Обмен углеводов включает ряд последовательно протекающих процессов: поступление углеводов в организм с пищей, переваривание сложных углеводов в желудочно-кишечном тракте, всасывание моноса­ харидов в кишечнике, транспорт их к органам и тканям, синтез углево­ дов в тканях, распад углеводов в тканях и выделение из организма про­ дуктов распада, образование из углеводов в организме других веществ.

Переваривание углеводов

Углеводы играют важную роль в питании человека и животных, составляя 60-70% пищевого рациона у нас и до 90% у травоядных жи­ вотных. Сложные углеводы —поли- и дисахариды в пищеварительном' тракте человека и животных подвергаются расщеплению до моносаха­ ридов с участием ряда ферментов.

Вротовой полости начинается расщепление полисахаридов крахмала и гликогена. В слюне содержится фермент а-амилаза, расще­ пляющая а-1,4-гликозидные связи внутри молекул полисахаридов (амилозы, амилопектина, гликогена) с образованием лимит-декстринов или при длительном действии - мальтозы. Она действует в нейтральной

ислабощелочной среде, активируется ионами хлора. Кроме а-амилазы в слюне есть фермент мальтаза, которая расщепляет мальтозу на две мо­ лекулы глюкозы. Однако пищевой комок в ротовой полости долго не задерживается, и поэтому переваривание полисахаридов здесь только начинается и очень незначительно.

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

нет.

Переваривание основной массы углеводов происходит в двена­ дцатиперстной кишке под действием ферментов панкреатического со­ ка В нем содержатся а-амилаза (как и амилаза слюны, расщепляющая а -1,4- гликозидные связи), амило-1,6-гликозидаза и олиго-1,6-

148

гдикозидаза (терминальная декстриназа), гидролизующие а -1,6- гдикозидные связи.

В тонком кишечнике окончательное переваривание углеводов происходит пристеночно —в щеточной кайме на поверхности слизистой кишечника при участии ферментов кишечного сока: мальтазы, расще­ пляющей мальтозу на две молекулы глюкозы (а-1,4-гликозидная связь); сахаразы, расщепляющей сахарозу на фруктозу и глюкозу; лактазы, расщепляющей лактозу на глюкозу и галактозу; изомальтазы, расщеп­ ляющей изомальтозу на две молекулы глюкозы (а-1,6-гликозидная связь); трегалазы, расщепляющей трегалозу (грибной сахар) на две мо­ лекулы глюкозы (а-1,1-гликозидная связь). Частично этот процесс мо­ жет идти в просвете кишечника, куда секретируются ферменты.

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

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

С пищей в организм человека и животных в большом количестве поступает полисахарид клетчатка (целлюлоза), в которой остатки глю­ козы соединены Р-гликозидной связью. Ферментов, расщепляющих этот тип связи, у человека и животных нет, поэтому клетчатка доходит до толстого кишечника в неизмененном виде. В толстом кишечнике у че­ ловека и особом отделе желудка (рубце) у травоядных животных име­ ются микроорганизмы, выделяющие ферменты, которые сбраживают клетчатку: целлюлаза - расщепляет целлюлозу с образованием дисаха­ рида целлобиозы; целлобиаза - расщепляет целлобиозу до глюкозы, ко­ торая далее ферментами бактерий расщепляется до уксусной, молочной, пировиноградной кислот, которые усваиваются.

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

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

149

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

Глюкоза как важнейший метаболит углеводного обмена. Об­ щая схема источников расходования глюкозы в организме. Ключе­ вая роль глюкозо-6-фосфата в метаболизме углеводов.

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

Основными путями превращении глюкозы является окисление ее с энергетическими целями (в аэробных и анаэробных условиях), де­ понирование в виде гликогена, превращение в другие углеводы и со­ единения других классов.

Распад углеводов

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

150