Полезные материалы за все 6 курсов / Учебники, методички, pdf / Биохимия

Ферменты транскетолаза и трансальдолаза катализируют перенос двух- и трёхуглеродных фрагментов, соответственно используя в качестве донора углеродных фрагментов кетозу, а альдозу — в качестве акцептора:

Реакция переноса двухуглеродного фрагмента, катализируемая транскетолазой

Трансальдолаза переносит трёхуглеродный фрагмент от седогептулозо-7-фосфата на глицеральдегид-3-фосфат, образуя эритрозо-4-фосфат и фруктозо-6-фосфат:

Реакция, катализируемая трансальдолазой

В следующей реакции, катализируемой транскетолазой, происходит перенос двухуглеродного фрагмента от ксилулозо-5-фосфата на эритрозо-4-фосфат. Продуктами этой реакции являются фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат:

Далее фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат могут превратиться в глюкозу. С учётом стехиометрического коэффициента, равного 2, для образования 5 молекул глюкозы (содержащих 30 атомов углерода) потребуются 4 молекулы фруктозо-6-фосфата и 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата (в сумме содержащие также 30 атомов углерода) или, соответственно, 6 молекул рибулозо-5-фосфата:

Таким образом, неокислительный путь можно представить, как процесс возвращения пентоз в фонд гексоз.

Пентозофосфатный цикл

Окислительный этап образования пентоз и неокислительный этап (путь возвращения пентоз в гексозы) составляют вместе циклический процесс:

Такой процесс можно описать общим уравнением:

6 Глюкозо-6-фосфат + 12 NADР+ + 2 Н2O —> 5 Глюкозо-6-фосфат + 12 NАDРН

+12 Н+ + 6 СO2.

Это означает, что из 6 молекул глюкозы образуются 6 молекул рибулозо-5-фосфат (пентозы) и 6 молекул СO2. Ферменты неокислительной фазы превращают 6 молекул рибулозо-5-фосфат в 5 молекул глюкозы (гексозы). При последовательном проведении этих реакций единственным полезным продуктом является NАDРН, образующийся в окислительной фазе пентозофосфатного пути. Такой процесс называют пентозофосфатным циклом. Протекание пентозофосфатного цикла позволяет, например, адипоцитам продуцировать NАDРН, необходимый для синтеза жиров, не накапливая пентозы.

Метаболизм глюкозо-6-фосфата в пентозофосфатном пути может идти по различным вариантам. Судьба метаболитов пентозофосфатного пути зависит от ситуации, потребностей клетки и ее типа.

Растущие и делящиеся клетки

Если клетка растет и делится, то ей необходимы НАДФН и рибозо-5-фосфат. В этом случае 2-й этап идти не будет, весь образуемый на 1-м этапе рибулозо-5- фосфат превратится в рибозо-5-фосфат. Последний далее фосфорилируется в фосфорибозилдифосфат и используется для синтеза как пуриновых, так и пиримидиновых нуклеотидов. НАДФН будет расходоваться на синтез дезоксирибонуклеотидов.

При распаде нуклеотидов образуемый рибозо-5-фосфат через второй этап способен превратиться в фруктозо-6-фосфат и окисляться с получением энергии.

Особенность пентозофосфатного шунта при активном синтезе РНК и ДНК

Адипоциты

Если потребность в НАДФН значительно превышает потребность в рибозо-5- фосфате, как, например, в адипоцитах и печени при синтезе жирных кислот, то по окислительным реакциям пентозофосфатного пути образуются НАДФН и рибулозо- 5-фосфат. Далее, под действием ферментов 2 этапа, рибулозо-5-фосфат превращается в другие пентозо-5-фосфаты и далее в метаболиты гликолиза (фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат).

Эти метаболиты превращаются в пируват и ацетил-SKoA и, в основном, используются для синтеза жирных кислот и образования холестерина. Одновременно глицеральдегид-3-фосфат может превращаться в глицерол-3- фосфат и уходить в биосинтез триацилглицеролов.

Особенность пентозофосфатного шунта в адипоците

Эритроциты

В случае, когда потребность в НАДФН высока, а потребность в рибозо-5- фосфате отсутствует, как в эритроците, где НАДФН активно используется для

восстановления антиоксиданта глутатиона ферментом глутатионредуктазой, последовательно идут оба этапа ПФП. Глюкозо-6-фосфат превращается в рибозо-5- фосфат и далее во фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат, которые "проваливаются" в гликолиз с образованием лактата. В конечном результате происходит одновременное генерирование НАДФН и АТФ.

Особенность пентозофосфатного шунта в эритроците

2 2

Дефект глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназы

Из нарушений пентозофосфатного шунта наиболее часто встречается недостаточность первого фермента – глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназы. Дефект глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназы является рецессивным и связан с X- хромосомой.

Следствием ферментного дефекта является снижение синтеза НАДФН в клетке. Особенно существенно это влияет на эритроциты, в которых окислительный этап пентозофосфатного цикла является единственным источником НАДФН. Из разнообразных функций НАДФН в данном случае имеет значение одна – участие в работе антиоксидантной системы. Данная система необходима для нейтрализации активных форм кислорода, постоянно образующихся в клетке. В частности, перекись водорода восстанавливается селен-зависимой пероксидазой до воды с помощью глутатиона. Восстановление глутатиона обратно в работоспособное состояние производит ФАД-содержащий фермент глутатионредуктаза при участии НАДФН, поставляемого пентозофосфатным шунтом:

Роль НАДФН в антиоксидантной системе клетки

В нормальных условиях у носителей дефектного фермента срок жизни эритроцита сокращен, но гемолиз и анемия обычно не возникают, т.е. дефект не проявляется. Триггером для проявления патологии являются лекарства и токсины, обладающие окислительными свойствами:

-лекарственные препараты (до 80 наименований) – сульфаниламиды, антибиотики, нитрофураны, анальгетики и антипиретики (парацетамол, аспирин, феназопиридин), противомалярийные препараты (примахин, памахин), антитуберкулезные (тубазид, изониазид),

-контакт с нафталином и хной, использование метиленового синего,

-бактериальные и вирусные инфекции,

-метаболический ацидоз,

-прием в пищу растительных продуктов - конские бобы (Vicia fava), папоротник мужской, голубика, черника,

-также отмечены подобные нарушения при потреблении препаратов аскорбиновой кислоты и витамина К.

Непосредственной причиной гемолиза эритроцитов является то, что в клетках активируются процессы свободно-радикального окисления (внутриклеточный окислительный стресс). Здоровая клетка, и эритроцит в том числе, обычно уверенно справляется с появлением свободных радикалов. При дефекте глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназы и снижении

содержания НАДФН активность антиоксидантных систем ослабевает, перекись водорода накапливается в эритроците, усиливается повреждение его мембран и происходит гемолиз до 20% и более эритроцитов.

МЕТАБОЛИЗМ ФРУКТОЗЫ И ГАЛАКТОЗЫ

Метаболизм фруктозы и галактозы включает пути использования их для синтеза других веществ (гетерополисахаридов, лактозы и др.) и участие в энергообеспечении организма. В последнем случае фруктоза и галактоза превращаются в печени либо в глюкозу, либо в промежуточные продукты её метаболизма. Таким образом, в результате фруктоза и галактоза наряду с глюкозой могут быть окислены до СO2 и Н2О или использованы на синтез гликогена и триацилглицеролов.

Причиной нарушения метаболизма фруктозы и галактозы может быть дефект ферментов, катализирующих промежуточные реакции их обмена. Эти нарушения встречаются относительно редко, но могут представлять достаточно серьёзную опасность, так как накапливаемые промежуточные метаболиты фруктозы и галактозы обладают токсичностью.

Метаболизм фруктозы

Метаболизм фруктозы начинается с реакции фосфорилирования (реакция 1), катализируемой фруктокиназой с образованием фруктозо-1-фосфата. Фермент обнаружен в печени, а также в почках и кишечнике. Этот фермент обладает абсолютной специфичностью, поэтому, в отличие от глюкокиназы, инсулин не влияет на его активность. Последнее обстоятельство объясняет, почему уровень выведения фруктозы в моче у больных сахарным диабетом и здоровых не отличается. Фруктозо- 1-фосфат не может превращаться во фруктозо-6-фосфат из-за отсутствия соответствующего фермента. Вместо этого фруктозо-1-фосфат далее расщепляется фруктозо-1-фосфатальдолазой (альдолаза В) на глицеральдегид и дигидроксиацетон- 3-фосфат (реакция 2). Последний является промежуточным продуктом гликолиза и образуется в ходе реакции, катализируемой фруктозо-1,6-бисфосфосфатальдолазой (альдолаза А). Глицеральдегид может включаться в гликолиз после его фосфорилирования с участием АТФ (реакция 3). Две молекулы триозофосфатов либо распадаются по гликолитическому пути, либо конденсируются с образованием фруктозо-1,6-бисфосфата и далее участвуют в глюконеогенезе (реакции 8, 7, 5, 9). Фруктоза в печени включается главным образом во второй путь. Часть дигидроксиацетон-3-фосфата может восстанавливаться до глицерол-3-фосфата и участвовать в синтезе триацилглицеролов:

Метаболизм фруктозы:

а — превращение фруктозы в дигидроксиацетон-3-фосфат и глицеральдегид-3- фосфат; б — путь включения фруктозы в гликолиз и глюконеогенез; в — путь включения фруктозы в синтез гликогена.

Следует отметить, что включение фруктозы в метаболизм через фруктозо-1-фосфат минует стадию, катализируемую фосфофруктокиназой (реакция 6), которая является пунктом метаболитического контроля скорости катаболизма глюкозы. Этим обстоятельством можно объяснить, почему увеличение количества фруктозы ускоряет в печени процессы, ведущие к синтезу жирных кислот, а также их этерификацию с образованием триацилглицеролов.

Нарушения метаболизма фруктозы

Недостаточность фруктокиназы клинически не проявляется. Фруктоза накапливается в крови и выделяется с мочой, где её можно обнаружить лабораторными методами. Очень важно не перепутать эту безвредную аномалию с сахарным диабетом. Данное заболевание известно, как доброкачественная эссенциальная фруктозурия и встречается с частотой 1:130 000.

Наследственная непереносимость фруктозы, возникающая при генетически обусловленном дефекте фруктозо-1-фосфатальдолазы, не проявляется, пока ребёнок питается грудным молоком, т. е. пока пища не содержит фруктозы. Симптомы возникают, когда в рацион добавляют фрукты, соки, сахарозу. Рвота, боли в животе, диарея, гипогликемия и даже кома и судороги возникают через 30 мин после приёма пищи, содержащей фруктозу. У маленьких детей и подростков, продолжающих принимать фруктозу, развиваются хронические нарушения функций печени и почек. Непереносимость фруктозы — достаточно частая аутосомно-рецессивная форма патологии.

Дефект альдолазы фруктозо-1-фосфата сопровождается накоплением фруктозо- 1-фосфата, который ингибирует активность фосфоглюкомутазы, превращающей глюкозо-1-фосфат в глюкозо-6-фосфат и обеспечивающей включение продукта гликогенфосфорилазной реакции в метаболизм. Поэтому происходит торможение распада гликогена на стадии образования глюкозо-1-фосфата, в результате чего развивается гипогликемия. Как следствие, ускоряется мобилизация липидов и окисление жирных кислот. Следствием ускорения окисления жирных кислот и синтеза кетоновых тел, замещающих энергетическую функцию глюкозы, может быть метаболический ацидоз, так как кетоновые тела являются кислотами и при высоких концентрациях снижают pH крови.

Результатом торможения гликогенолиза и гликолиза является снижение синтеза АТФ. Кроме того, накопление фосфорилированной фруктозы ведёт к нарушению обмена неорганического фосфата и гипофосфатемии.

Для пополнения внутриклеточного фосфата ускоряется распад адениловых нуклеотидов. Продукты распада этих нуклеотидов включаются в катаболизм, проходя стадии образования гипоксантина, ксантина и, наконец, мочевой кислоты. Повышение количества мочевой кислоты и снижение экскреции уратов в условиях метаболического ацидоза проявляются в виде гиперурикемии. Следствием гиперурикемии может быть подагра даже в молодом возрасте.

Метаболизм галактозы

Галактоза образуется в кишечнике в результате гидролиза лактозы. Чтобы превратить галактозу в глюкозу, необходимо изменить оптическую конфигурацию Н- и ОН-групп С4 атома в галактозе, т. е. провести реакцию эпимеризации. Эта реакция в клетке возможна только с УДФ-производным галактозы. УДФ-галактоза образуется из УДФ-глюкозы (метаболит в синтезе гликогена) в ходе реакции, катализируемой уридилфосфат-4-эпимеразой:

Реакция эпимеризации УДФ-глюкозы в УДФ-галактозу