коллоквиум 2 биохимия

————— 1 Макроэргические вещества и радикалы. Пути образования и потребления
АТФ в организме.
К макроэргическим соединениям относятся аденозинтрифосфорная кислота (АТФ),
аденозиндифосфорная кислота (АДФ), а также пирофосфат (H4P2O7), полифосфаты
(полимеры метафосфорной кислоты) и др. Самое важное макроэргическое соединение
— АТФ. Используя энергию, заключенную в макроэргических связях АТФ, при
действии ферментов, переносящих фосфатные группы, можно получить другие
макроэргические соединения, например, ГТФ (гуанозинтрифосфорная кислота), ФЕП
(фосфоенолпировиноградная кислота) и др.
Пути синтеза АТФ
1. Субстратное фосфорилирование
* Где происходит: в цитоплазме клетки и частично в митохондриях (например, в
цикле Кребса).
* Механизм:
АТФ синтезируется непосредственно в ходе ферментативных реакций. В качестве
субстрата выступают молекулы, содержащие высокоэнергетические фосфатные
группы.
* Примеры реакций:
1. В гликолизе:
* 1,3-бисфосфоглицерат + АДФ → 3-фосфоглицерат + АТФ
* Фосфоенолпируват (ПЭП) + АДФ → Пируват + АТФ
2. В цикле Кребса:
* Сукцинил-КоА + GDP + фосфат → Сукцинат + GTP (позже GTP может
использоваться для синтеза АТФ).
* Энергия: Каждая реакция генерирует только 1-2 молекулы АТФ.
Окислительное фосфорилирование
* Где происходит: во внутренней мембране митохондрий.
* Механизм:
1. Высокоэнергетические электроны передаются на кислород через цепь переноса
электронов (дыхательная цепь). Электроны поступают от NADH и FADH₂.
2. При этом создается протонный градиент между матриксом митохондрий и
межмембранным пространством.
3. Протоны возвращаются в матрикс через АТФ-синтазу, и энергия этого потока
используется для синтеза АТФ из АДФ и фосфата.
* Уравнение реакции:
ADP + Pi + H⁺ → ATP + H₂O
* Энергия:
* 1 NADH дает около 2,5 молекулы АТФ.
* 1 FADH₂ дает около 1,5 молекулы АТФ.
* Общий выход: около 26-28 молекул АТФ за цикл дыхания.
———— 2. Дыхательная цепь и комплексы с переносом заряда.
Цепь переноса электронов (дыхательная цепь) – это сложная система переносчиков,
при участии которой происходит процесс последовательного переноса электронов от
NADH и FADH2 на O2.
Дыхательной цепи предшествует отнятие атомов водорода от окисляемых субстратов
(реакции дегидрирования).
Комплексы дыхательной цепи
* Комплекс I (НАДН-дегидрогеназный комплекс) окисляет НАД-Н, отбирая у него два
электрона и перенося их на растворимый в липидах убихинон, который внутри
мембраны диффундирует к комплексу III. Вместе с этим, комплекс I перекачивает 2
протона и 2 электрона из матрикса в межмембранное пространство митохондрии.
* Комплекс II (Сукцинатдегидрогеназа) не перекачивает протоны, но обеспечивает
вход в цепь дополнительных электронов за счёт окисления сукцината.
* Комплекс III (Цитохром-bc1-комплекс) переносит электроны с убихинона на два
водорастворимых цитохрома с, расположенных на внутренней мембране митохондрии.
Убихинон передаёт 2 электрона, а цитохромы за один цикл переносят по одному
электрону. При этом туда также переходят 2 протона убихинона и перекачиваются
комплексом.
* Комплекс IV (Цитохром c оксидаза) катализирует перенос 4 электронов с 4 молекул
цитохрома на O2 и перекачивает при этом 4 протона в межмембранное пространство.
Комплекс состоит из цитохромов a и a3, которые, помимо гема, содержат ионы меди.
————— 3. Структура и функции конкретных компонентов дыхательной цепи.
1) НАДН-дегидрогеназа(НАДН-КоQ-оксидоредуктаза) – встроена во внутреннюю
мембрану митохондрий. Это флавин-зависимый фермент, в состав которого входит
витамин В2. Сложный, имеет 2 простетические группы: ФМН (флавинмононуклеотид –
активная форма витамина В2) и Железосерные белки (FеS-белки). АтомыFe,
входящие в FеS-центры являются негеминовыми (не входят в состав гема). Активный
центр НАДНДГ обращён в сторону матрикса митохондрий. НАДНДГ дегедрирует НАДН
(отщепляет Н2) и передаёт протоны и электроны сначала на ФМН, а потом ч/з FеSцентры на СоQ(восстанавливается и превращается в КоQН2 или убихинол).
Функция: а)Принимает электроны от НАДН и передает их на коэнзим Q (убихинон).
б) Переносит 4 иона
Н+на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.
2) КоQ (убихинон) – небелковый переносчик, находится в растворенном состоянии,
т.к. является жирорастворимым (растворяется в липидном слое мембран). Поэтому
может перемещаться как вдоль так и поперек мембраны (не заряжен). Поэтому он
принимает электроны и протоны с ФАДН2, т.е. ч/з 2й вход в дыхательную цепь. Его
называют коллектором электронов.
3) Цитохромы (b, c1, c, а, а3)– сложные белки (гемпротеины), небелковой частью
которых является гем, содержащийFе3+(окисленная форма). Fегема может обратимо
принимать и отдавать электроны.
4) УбихинолДГ (КоQ-цитохром с-оксидоредуктаза)– это ферментный комплекс,
состоящий из цитохромовbи с1, включающий также FеS-центры. Функция:
а) Принимает электроны от коэнзима Q и передает их на цитохром с (при этом Fе
восстанавливается до 2х валентного); б)Переносит 2 иона Н+на наружную
поверхность внутренней митохондриальной мембраны.
5) Цитохром с-кислород-оксидоредуктаза - В этом комплексе находятся цитохромы а
и а3, он называется также цитохромоксидаза, всего содержит 6 полипептидных
цепей. В комплексе также имеется 2 иона меди. Функция: а) Принимает электроны от
цитохрома с и передает их на кислород с образованием воды. б)Переносит 4 иона Н+
на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.
6) АТФ-синтаза– комплекс, состоящий из множества белковых цепей, подразделенных
на две большие группы: одна группа формирует субъединицу Fо (произносится со
звуком "о", а не "ноль" т.колигомицин-чувствительная) – ее функция
каналообразующая, по ней выкачанные наружу протоны водорода устремляются в
матрикс. Другая группа образует субъединицу F1 – ее функция каталитическая,
именно она, используя энергию протонов, синтезирует АТФ.
-----------— 4. Функции АТФ-синтазы и молекулярного кислорода в клеточном
дыхании.
АТФ-синтаза – комплекс, состоящий из множества белковых цепей, подразделенных
на две большие группы: одна группа формирует субъединицу Fо – ее функция
каналообразующая, по ней выкачанные наружу протоны водорода устремляются в
матрикс. Другая группа образует субъединицу F1 – ее функция каталитическая,
именно она, используя энергию протонов, синтезирует АТФ.
Основное количество молекул АТФ вырабатывается по способу окислительного
фосфорилирования на последней стадии клеточного дыхания: в
электронтранспортной цепи. Здесь происходит окисление НАД∙Н и ФАДН2,
восстановленных в процессах гликолиза, β-окисления, цикла Кребса и т.д. Энергия,
выделяющаяся в ходе этих реакций, благодаря цепи переносчиков электронов,
локализованной во внутренней мембране митохондрий (упрокариот — в
цитоплазматической мембране), трансформируется в трансмембранный протонный
потенциал. Фермент АТФ-синтаза использует этот градиент для синтеза АТФ,
преобразуя его энергию в энергию химических связей. Подсчитано, что молекула
НАД∙Н может дать в ходе этого процесса 2.5 молекулы АТФ, ФАДН2 — 1.5
молекулы.Конечным акцептором электрона в дыхательной цепи аэробов является
кислород.
Молекулярный кислород – поступает на мембраны клеток из крови – с гемоглобином.
Его функция заключается в привязке протонов водорода, которые проходят через
канальное образование АТФ-синтетазы на наружную часть мембраны, тем самым
регулируя приход и уход протонов водорода, не создавая в клетке излишнего
давления. Так образуется молекула H2O.
Молекулярный кислород является идеальным конечным акцептором электронов как
сильный окисляющий агент. Восстановление кислорода, однако, включает
образование потенциально опасных промежуточных соединений[82]. Хотя перенос
четырёх электронов и четырёх протонов восстанавливает кислород до безвредной
воды, однако перенос одного или двух электронов превращает кислород в
супероксидный или пероксидный анион соответственно, которые чрезвычайно опасны
из-за своей активности. Такие активные формы кислорода и продукты их реакций,
таки как гидроксильный радикал, очень опасны для клетки, так как они окисляют
белки и вызывают мутации в ДНК. Такие клеточные повреждения приводят к
болезням и предположительно являются одной из причин старения. (ред.)
----------— 5. Механизм синтеза АТФ путем окислительного фосфорилирования.
Окислительное фосфорилирование — это основной путь синтеза АТФ, за счет энергии
окисления субстрата кислородом. Процесс окислительного фосфорилирования
осуществляется вмитохондриях. Митохондрии справедливо называют
«энергетическими станциями» клеток, так как они улавливают энергию внешних
ресурсов и трансформируют ее в другие формы энергии. Условно можно разделить
процесс окислительного фосфорилирования на 4 этапа.
1. Окисление энергетических субстратов в матриксе митохондрий.
2. Окисление НАДН и ФАДН2 в митохондриальной дыхательной цепи.
З. Генерирование протонного потенциала ΔμH+ за счет энергии окисления
энергетических субстратов.
4. Синтез АТФ за счет энергии протонного потенциала.
1. Окисление энергетических субстратов
В реакции дегидрирования при действии НАД+- и ФАД - зависимыхдегидрогеназ
(ДГ)от энергетических субстратов отщепляются два атома водорода. Ферменты
локализованы в матриксе митохондрий, за исключением ФАД-зависимой
сукцинатдегидрогеназы, которая локализована на поверхности внутренней мембраны
митохондрий.
2.Окисление НАДН+Н + и ФАДН2 в митохондриальной дыхательной цепи (ЦПЭ).
Окисление НАДН+Н+ и ФАДН2 осуществляется при участии окислительновосстановительных ферментов митохондрий по реакции
НАДН+Н++ 1/2 O2 → НАД+ + H2O
Изменение свободной энергии этого процесса составляет: ΔG° = -220 кДж/моль
(ΔG° = - 52,6 ккал/моль).
Сущность окисления заключается в последовательной передаче электронов от
НАДН+Н+ и ФАДН2 на кислород при помощи специальных переносчиков в
электронтранспортной цепи.
Все эти переносчики электронов можно сгруппировать в четыре ферментативных
комплекса, структурированные во внутренней мембране митохондрий,
представляющие собой ферментативный ансамбль,получивший название
«дыхательные ферменты»,«цитохромная система», «ЦПЭ»(цепь переноса
электронов).
Комплекс I – НАДН-дегидрогеназа (НАДН-КоQ-редуктаза). Простетические группы -
ФМН, FeS. Акцептор электронов – KoQ.
Комплекс III – КоQН2-дегидрогеназа (KoQH2 -цит.с-редуктаза). Простетические
группы: FeS, цитохромы b1, b2, с1. Акцептор электронов – цитохром - с.
Комплекс IV – цитохромокcидаза. Простетические группы: цитохромы ааз, Си2+.
Акцептор электронов– кислород.
Комплекс II – сукцинатдегидрогеназа (Сукцинат-КоQ-редуктаза). Простетические
группы ФАД, FeS. Акцептор электронов – KoQ.
З. Генерирование протонного потенциала ΔμН+
Каким же образом осуществляется сопряжение транспорта электронов по
дыхательной цепи с трансформацией высвободившейся электрической энергии в
энергию химических связей АТФ? На этот вопрос в 1961 году дал ответ английский
ученый Питер Митчелл. Его концепция заключалась в том, что движущей силой
синтеза АТФ является электрохимический потенциал, протонный потенциал – ΔμH+.
ΔμH+. = Δ рН+ Δ φ
рН — градиент протонов, Δφ – разность электрического потенциала. В 1978 году
П. Митчеллу была присуждена Нобелевская премия и хемиосмотическая теория стала
общепризнанной.
По теории П. Митчелла высвобождающаяся поэтапно энергия в процессе транспорта
электронов по дыхательной цепи используется для выкачивания протонов из
матрикса митохондрий в межмембранное пространство. Транспорт 2Н+ из матрикса
митохондрий в межмембранное пространство создает градиент концентрации
протонов - ΔрН и приводит к возникновению отрицательного заряда на поверхности
мембраны со стороны матрикса и положительного заряда со стороны межмембранного
пространства, при этом создается разность электрических потенциалов – Δφ.
Источником протонов в матриксе митохондрий является НАДН + Н+, ФАДН2, вода.
Возможность генерирования протонного потенциала обеспечивается:
1) непроницаемостью внутренней мембраны митохондрий для ионов вообще и,
особенно, для протонов.
2) раздельным транспортом протонов и электронов по дыхательной цепи. Это
обеспечивается наличием переносчиков 2-х типов: только для электронов и
электронов и протонов одновременно. (ред.)
4. Синтез АТФ за счет протонного потенциала
Ферментативная система Н+ - АТФ- синтазный комплекс, АТФ-синтаза, АТФазакатализирует реакцию фосфорилирования АДФ неорганическимфосфатом за счет
энергии которая аккумулирована в электрохимическом потенциале.
Протонная АТФ-синтаза состоит из 2-х субкомплексов: F1 иFo. F1 - субъединица
представлена 5 видами полипептидных цепей и отвечает за синтез и гидролиз АТФ.
Имеет форму шляпки гриба, выступающего в матрикс митохондрий и связана с
мембранной белковой субъединицей Fо. Fo - это гидрофобный сегмент из 4-х
полипептидных цепей, который пронизывают всю мембрану митохондрий и образует
протонный каналв ферментативном комплексе. Через протонные каналы АТФ-синтазы
происходит, возвращение протонов обратно вматрикс митохондрий. Существует
предположение,что прохождение протонов сопровождается конформационными
изменениями активных центров АТФ-синтазы, что и стимулирует синтез АТФ.
В соответствии с механизмом сопряжения окислительного фосфорилирования,
предложенным Митчеллом, перенос двух протонов через, протонный канал АТФсинтазы сопровождается синтезом одной молекулы АТФ.
Реакции окисления, катализируемые пиридинзависимыми дегидрогеназами,
сопряжены с I-м комплексом ЦПЭ,поэтому высвобождающаяся поэтапно энергия
обеспечивает транслокацию в межмембранное пространство трех пар протонови
следовательно, синтез 3-х молекул АТФ.
Реакции окисления, катализируемые флавинзависимыми дегидрогеназами,
сопряжены с III-м комплексом ЦПЭ и в межмембранное пространство переносятся
лишь две пары протонов,следовательно, синтезируется 2 АТФ.
Реакция окисления аскорбиновой кислотысопряжена на уровне семихинона,поэтому
осуществляется транслокация только одной пары протонов и синтезируется лишь 1
молекула АТФ. (ред.)
----------— 6. Механизм и биологическое значение разобщения окислительного
фосфо-рилирования.
Биологическое значение
Разобщение окислительного фосфорилирования может быть биологически полезным.
Оно представляет собою способ генерирования тепла для поддержания температуры
тела у зимнеспящих животных, у некоторых новорожденных животных и у
млекопитающих, адаптированных к холоду. Для этого процесса термогенеза
специализированная бурая жировая ткань, очень богатая митохондриями.
Механизм
Разобщители окислительного фосфорилирования (ионофоры) – это вещества, которые
подавляют окислительное фосфорилирование, не влияя при этом на процесс переноса
электронов по ЦТД. Механизм действия разобщителей сводится к тому, что они
являются жирорастворимыми (липофильными) веществами и обладают способностью
связывать протоны и переносить их через внутреннюю мембрану митохондрий в
матрикс, минуя протонный канал АТФ-синтазы. (ред.)
----------— 7. Гликолиз
Гликолиз (от греч. glycys- сладкий и lysis - растворение, распад) - это последовательность ферментативных реакций, приводящих к превращению глюкозы в
пируват с одновременным образованием АТФ.
При аэробных условиях пируват проникает в митохондрии, где полностью окисляется
до СО, и Н,О.
Аназробный гликолиз - сложный ферментативны без опесе распада глю. козы,
протекающий в тканях человека и животных без потребления кисло. рода. Конечным
продуктом гликолиза является мологие я кислота. В про цессе гликолиза образуется
АТФ.
Суммарное уравнение гликолиза можно представить следующим образом:
C6H1206 + 2АДФ + 2Фn→ 2СН3СН(О)COOH + 2АТФ. + 2H20.
Глюкоза → Молочная кислота
В анаэробных условиях гликолиз- единственный процесс в животном организме,
поставляющий энергию. Именно благодаря гликолизу организм человека и животных
определенный период может осуществлять ряд фи-зиологических функций в условиях
недостаточности кислорода. В тех случаях, когда гликолиз протекает в присутствии
кислорода, говорят об аэробном гликолизе *.
Первой ферментативной реакцией гликолиза является фосфорили-рование, т.е.
перенос остатка ортофосфата на глюкозу за счет АТФ.
Реакция катализируется ферментом гексокиназой
Второй реакцией является превращение глюкозо-6-фосфата под действием фермента
глюкозо-6-фосфат-изомеразы во фруктозо-6-фосфат
Третья реакция это фосфорилирование фруктозо-6-фосфата в фруктозо-1,6-
бифосфат
В четвертой реакции фруктозо-1,6-бифосфат расщепляется на две фосфотриозы:
диоксиацетонфосфат и глицеральдегид-3-фосфат
Пятая реакция - изомеризация триозофосфатов
Шастая реакция. Глицеральдегид-3-фосфат подвергается окислению до 1,3-
бисфосфоглицериной кислоты и восстановленной формы НАД (НАДН)
Седьмая реакция- передача фосфатного остатка на АДФ с образованием АТФ и 3-
фосфоглицериновой кислоты
В ходе восьмой реакц (ред.)
В ходе восьмой реакции 3-фосфоглицериновая кислота превращается в 2-
фосфоглицериновую кислоту
Девятая реакция сопровождается отщепление и молекулы воды от 2-
фосфоглицериновой кислоты = фосфоенолпируват
Десятая реакция
фосфоенолпируват = пируват
Одиннадцатая реакция
Восстановление ПВК до молочной кислоты
---------— 9. Цикл лимонной кислоты - центральный процесс энергетического обмена.
Ци́кл трикарбо́новых кисло́т (цикл Кре́бса, цитра́тный цикл, цикл лимо́нной кислоты́)
— центральная часть общего пути катаболизма, циклический биохимический процесс,
в ходе которого ацетильные остатки (СН3СО–) окисляются до диоксида углерода
(CO2). При этом за один цикл образуется 2 молекулы CO2, 3 NADH, 1 FADH2 и 1 ГТФ
(или АТФ).Электроны, находящиеся на NADH и FADH2, в дальнейшем переносятся на
дыхательную цепь, где в ходе реакций окислительного фосфорилирования образуется
АТФ.
Первая реакция ката-лизируется ферментом цит-рат-синтазой, при этом аце-тильная
группа ацетил-КоА конденсируется с оксалоаце-татом, в результате чего образуется
лимонная кислота
В результате второй реакции образовавшаяся лимонная кислота подвергается
дегидратированию с образованием цис-аконитовой кислоты, которая, присоединяя
молекулу воды, переходит в изолимонную кислоту (изоцитрат).
Третья реакция, по-видимому, лимитирует скорость цикла Кребса.
Изолимонная кислота дегидрируется в присутствии НАД-зависимой
изоцитратдегидрогеназы
В ходе изоцитратдегидрогеназной реакции изолимонная кислота одновременно
декарбоксилируется. НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа является
аллостерическим ферментом, которому в качестве специфического активатора
неоходим АФ. Кроме того, фермент для проявления своей активности нуждается в
ионах Mg2+
Во время четвертой реакции происходит окислительное декарбокси-лирование акетоглутаровой кислоты с образованием высокоэнергетическо-го соединения
сукцинил-коА. Механизм этой реакции сходен с таковым реакции окислительного
декарбоксилирования пирувата до ацетил-КоА, а-кетоглутаратдегидрогеназный
комплекс напоминает по своей структуре пируватдегидрогеназный комплекс.
Пятая реакция катализируется ферментом сукцинил-КоА-синтета-зой. В ходе этой
реакции сукцинил-КоА при участии ГТФ и неорганического фосфата превращается в
янтарную кислоту (сукцинат). Одновременно происходит образование
высокоэргической фосфатной связи ГТФ ** за счет высокоэргической тиоэфирной
связи сукцинил-КоА
В результате шестой реакции сукцинат дегидрируется в фумаровую кислоту.
Окисление сукцината катализируется сукцинатдегидрогеназой, в молекуле которой с
белком прочно (ковалентно) связан кофермент ФАД.
В свою очередь сукцинатдегидрогеназа прочно связана с внутренней митохондриальной мембраной
Седьмая реакция осуществляется под влиянием фермента фума-ратгидратазы
(фумаразы). Образовавшаяся при этом фумаровая кислота гидратируется, продуктом
реакции является яблочная кислота (малат).
Следует отметить, что фумаратгидратаза обладает стереоспецифичностью (см. главу
4)- в ходе реакции образуется L-яблочная кислота
в ходе восьмой реакции цикла трикарбоновых кислот под влиянием
митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы происходит окисление Lмалата в оксалоацетат:
Регуляция цитратного цикла. В большинстве случаев скорость реакций в
метаболических циклах определяется их начальными реакциями. В ЦТК важнейшая
регуляторная реакция - образование цитрата из оксалоацетата и ацетил-КоА,
катализируемая цитратсинтазой. Эта реакция ускоряется при повышении
концентрации оксалоацетата - субстрата реакции и тормозится продуктом реакции -
цитратом. Когда отношение NADH/NAD+ снижается, скорость окисления маната в
оксалоацетат возрастает. Повышение концентрации оксалоацетата ускоряет
цитратсинтазную реакцию. Скорость реакции снижается при повышении
концентрации АТФ, сукцинил-КоА и длинноцепочечных жирных кислот. (ред.)
В норме скорости гликолиза и цикла трикарбоновых кислот тесно связаны, так что в
пируват превращается лишь такое количество глюкозы, которое обеспечит цикл
достаточным количеством «топлива» — ацетильными группами ацетил-СоА.
Концентрации пирувата, лактата и ацетил-СоА в норме поддерживаются постоянными.
Скорость гликолиза связана со скоростью цикла трикарбоновых кислот не только
через ингибирование гликолиза высокими уровнями ATP и NADH, которое характерно
и для гликолиза, и для дыхательного этапа окисления глюкозы, но также и
концентрацией цитрата. Цитрат, первый продукт цикла трикарбоновых кислот,
является важным аллостерическим ингибитором фосфофруктокиназы-1,
гликолитического фермента.
--------— 10. Пути образования активного ацетила. (ред.)
Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты
Окисление пирувата до ацетил-КоА происходит при участии ряда ферментов и
коферментов, объединенных структурно в мультиферментную систе-му, получившую
название «пируватдегидрогеназный комплекс».
На І стадии этого процесса пируват (рис. 10.8) теряет свою карбоксильную группу в результате взаимодействия с тиаминпирофосфатом (ТПФ) в составе
активного центра фермента пируватдегидрогеназы (E,). На Ii стадии оксиэтильная
группа комплекса Е, - ТПФ-СНОН- СН окисляется с образованием ацетильной группы,
которая одновременно переносится на амид липоевой кислоты (кофермент),
связанной с ферментом дигидроли-поилацетилтрансферазой (Е2). Этот фермент
катализирует III стадию - перенос ацетильной группы на коэнзим КоА (HS-KoA)- с
образованием конечного продукта ацетил-КоА, который является
высокоэнергетическим (макроэргическим) соединением.
На IV стадии регенерируется окисленная форма липоамида из вос-становленного
комплекса дигидролипоамид- Ег. При участии фермента дигидролипоилдегидрогеназы
(Е3) осуществляется перенос атомов водорода от восстановленных сульфгидрильных групп дигидролипоамида на
ФАД, который выполняет роль простетической группы данного фермента и прочно с
ним связан. На V стадии восстановленный ФАДН, дигидро-липоилдегидрогеназы
передает водород на кофермент НАД с образованием
НАДН + Н*
Процесс окислительного декарбоксилирования пирувата происходит в матриксе
митохондрий.
Суммарную реакцию, катализируемую пируватдегидрогеназным комп-лексом, можно
представить следующим образом:
Пируват + НАД+ + HS-КоА → Ацетил-КоА + НАДН + H+ + СО2.
HS-КоА - коэнзим КоА
Реакция сопровождается значительным уменьшением стандартной свободной энергии
и практически необратима.
Образовавшийся в процессе окислительного декарбоксилирования аце-тил-КоА
подвергается дальнейшему окислению с образованием СО2 и Н,О. Полное окисление
ацетил-КоА происходит в цикле трикарбоновых кислот (цикл Кребса). Этот процесс,
так же как окислительное декарбо-ксилирование пирувата, происходит в
митохондриях клеток. (ред.)
------------— 11. Пути потребления активного ацетила.
Активный ацетил (ацетил-КоА) — это ключевая молекула в клеточном метаболизме.
Он образуется в результате окисления углеводов, жирных кислот и некоторых
аминокислот. Его уникальная позиция в метаболизме позволяет ему участвовать в
нескольких биохимических путях:
1. Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК)
Ацетил-КоА вступает в ЦТК (цикл Кребса), соединяясь с оксалоацетатом для
образования цитрата.
В процессе цикла ацетильная группа полностью окисляется до CO₂, а выделяющаяся
энергия запасается в форме NADH и FADH₂, которые участвуют в окислительном
фосфорилировании.
Активный ацетил (ацетил-КоА) — это ключевая молекула в клеточном метаболизме.
Он образуется в результате окисления углеводов, жирных кислот и некоторых
аминокислот. Его уникальная позиция в метаболизме позволяет ему участвовать в
нескольких биохимических путях:
1. Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК)
Ацетил-КоА вступает в ЦТК (цикл Кребса), соединяясь с оксалоацетатом для
образования цитрата.
В процессе цикла ацетильная группа полностью окисляется до CO₂, а выделяющаяся
энергия запасается в форме NADH и FADH₂, которые участвуют в окислительном
фосфорилировании.
2. Синтез жирных кислот
Избыток ацетил-КоА используется для синтеза жирных кислот в цитоплазме (через
малонил-КоА как промежуточное соединение).
Эти жирные кислоты впоследствии могут участвовать в образовании триглицеридов
(запасных жиров).
4. Кетогенез (образование кетоновых тел)
В печени из ацетил-КоА образуются кетоновые тела (ацетоацетат, β-гидроксибутират
и ацетон), которые используются как источник энергии в периоды голодания или при
недостатке углеводов (например, мозгом и мышцами).
5. Синтез ацетилхолина
В нервных клетках ацетил-КоА участвует в синтезе ацетилхолина, важного
нейромедиатора.
6. Ацетилирование белков
Ацетил-КоА используется для ацетилирования белков, включая гистоны. Это
регулирует структуру хроматина и экспрессию генов. (ред.)
-------— 12. Назначение, механизмы синтеза и пути потребления кетоновых тел. —----
-------
1. Назначение кетоновых тел
Кетоновые тела (ацетоацетат, β-гидроксибутират и ацетон) — это растворимые
соединения, образуемые из ацетил-КоА. Их основная функция — служить
альтернативным источником энергии для тканей, особенно в условиях недостатка
глюкозы (например, при голодании, кетогенной диете или сахарном диабете).
Основные потребители кетоновых тел:
Мозг: В условиях дефицита глюкозы (например, при длительном голодании) мозг
переключается на использование кетоновых тел.
Скелетные мышцы и сердце: Эти ткани активно окисляют кетоновые тела для
производства энергии.
2. Механизмы синтеза кетоновых тел (кетогенез)
Кетогенез происходит в митохондриях клеток печени. Основные этапы:
Образование ацетоацетил-КоА:
Две молекулы ацетил-КоА конденсируются под действием фермента тиолазы, образуя
ацетоацетил-КоА.
Синтез HMG-КоА (3-гидрокси-3-метилглутарил-КоА):
Ацетоацетил-КоА взаимодействует с еще одной молекулой ацетил-КоА под действием
фермента HMG-КоА-синтазы, образуя HMG-КоА.
Образование ацетоацетата:
HMG-КоА расщепляется ферментом HMG-КоА-лиазой, образуя ацетоацетат.
Превращение в другие кетоновые тела:
Ацетоацетат может:
Превращаться в β-гидроксибутират (под действием β-гидроксибутиратдегидрогеназы).
Самопроизвольно декарбоксилироваться в ацетон (побочный продукт, который
выводится с дыханием).
3. Пути потребления кетоновых тел (кетолиз)
Кетолиз — процесс утилизации кетоновых тел для получения энергии. Происходит в
периферических тканях, но не в печени, так как в гепатоцитах отсутствует фермент
сукцинил-КоА-ацетоацетат-трансфераза.
Транспорт кетоновых тел:
Кетоновые тела растворимы в воде, поэтому легко транспортируются в крови.
Использование ацетоацетата:
В тканях ацетоацетат активируется ферментом сукцинил-КоА-ацетоацетаттрансферазой, превращаясь в ацетоацетил-КоА.
Ацетоацетил-КоА расщепляется до двух молекул ацетил-КоА под действием тиолазы.
Окисление ацетил-КоА:
Ацетил-КоА поступает в цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) для производства энергии
в виде АТФ.
4. Регуляция кетогенеза
Стимуляция:
Высокий уровень жирных кислот (при голодании или липолизе).
Снижение концентрации инсулина и увеличение глюкагона.
Подавление:
Высокий уровень глюкозы и инсулина. (ред.)
----— 13. Пути образования и превращения ПВК. —---
Пировиноградная кислота — химическое соединение с формулой СН3СОСООН,
органическая кетокислота. Пируваты (соли пировиноградной кислоты) — важные
химические соединения в биохимии. Они являются конечным продуктом метаболизма
глюкозы в процессе гликолиза. Одна молекула глюкозы превращается при этом в две
молекулы пировиноградной кислоты
1. Пути образования ПВК
1.1. Гликолиз
Основной путь образования ПВК.
В ходе гликолиза глюкоза превращается в две молекулы пирувата:
Реакция катализируется ферментом пируваткиназой.
Конечный этап гликолиза
Фосфоенолпируват(ПЭП)+ADP→ПВК+ATP
1.2. Аминокислотный катаболизм
Из некоторых аминокислот (аланин, серин, цистеин) в результате их
трансаминирования или дезаминирования образуется пируват:
Аланин: Превращается в пируват под действием фермента аланинаминотрансферазы
(АЛТ).
Серин: Превращается в пируват через действие сериндегидратазы.
1.3. Катаболизм лактата (обратная реакция гликолиза)
Лактат превращается в пируват через фермент лактатдегидрогеназу (ЛДГ):
2. Пути превращения ПВК
2.1. Окислительное декарбоксилирование до ацетил-КоА
В митохондриях пируват окисляется до ацетил-КоА с выделением CO₂. Реакция
катализируется пируватдегидрогеназным комплексом (ПДГК).
Ацетил-КоА используется в цикле Кребса и биосинтезе жирных кислот.
2.2. Восстановление до лактата
В условиях гипоксии или в анаэробных условиях (например, в работающих мышцах)
пируват восстанавливается до лактата:
Катализируется ферментом лактатдегидрогеназой (ЛДГ).
2.3. Карбоксилирование до оксалоацетата
Пируват карбоксилируется в оксалоацетат, что важно для глюконеогенеза и
анирополнения (анаплероза) цикла Кребса.
Реакция катализируется пируваткарбоксилазой. (ред.)
--------— 14. Синтез жира из углеводов.
Синтез триглицеридов происходит из глицерина и жирных кислот (главным образом
стеариновой, пальмитиновой и олеиновой). Путь био-синтеза триглицеридов в тканях
протекает через образование а-глице-рофосфата (глицерол-3-фосфата) как
промежуточного соединения.
В почках, а также в стенке кишечника, где активность фермента глицеролкиназы
высока, глицерин фосфорилируется за счет АТФ с образованием глицерол-3-фосфата
Образовавшийся тем или иным путем глицерол-3-фосфат последовательно
ацилируется двумя молекулами КоА-производного жирной кислоты (т.е. «активными»
формами жирной кислоты- ацил-КоА). В результате образуется фосфатидная кислота
(фосфатидат)
Далее фосфатидная кислота гидролизуется фосфатидат-фосфогидро-лазой до 1,2-
диглицерида (1,2-диацилглицерола)
Затем 1,2-диглицерид ацилируется третьей молекулой ацил-КоА и превращается в
триглицерид (триацилглицерол). Эта реакция катализируется диацилглицеролацилтрансферазой
--------— 15. Переваривание углеводов в желудочно-кишечном тракте. Особенности
превращений углеводов в пищеварительном тракте и в ходе метаболизма в организме
жвачных.
Переваривание углеводов начинается в ротовой полости, где фермент α-амилаза,
содержащийся в слюне, расщепляет крахмал и гликоген. Амилаза расщепляет α-1,4-
связи, образуя декстрины и мальтозу. Этот процесс продолжается до тех пор, пока
пища не попадёт в желудок.
В желудке действие амилазы прекращается из-за кислой среды (pH 1,5–2,5).
Несмотря на это, в глубине пищевого комка, куда не сразу проникает желудочный
сок, расщепление углеводов может продолжаться некоторое время.
Основная часть переваривания углеводов происходит в тонком кишечнике, где под
действием α-амилазы, поступающей с поджелудочным соком, крахмал и гликоген
превращаются в мальтозу. В кишечнике также работают ферменты, которые
расщепляют более сложные связи, например, α-1,6-гликозидные, образующиеся в
молекулах амилопектина и гликогена. Эти связи гидролизуют амило-1,6-глюкозидаза
и олиго-1,6-глюкозидаза. Мальтоза, образующаяся в результате расщепления, затем
превращается в глюкозу под действием фермента мальтазы.
Также важным этапом переваривания является расщепление дисахаридов, таких как
сахароза и лактоза. Сахара в тонком кишечнике расщепляются на моносахариды:
глюкозу, фруктозу и галактозу с помощью ферментов сахаразы и лактазы.
Моносахариды, такие как глюкоза и галактоза, активно всасываются клетками
тонкого кишечника (энтероцитами) через мембраны с помощью специализированных
переносчиков, а фруктоза всасывается путём облегчённой диффузии. Глюкоза и
галактоза транспортируются через кровь, и основная их часть поступает в печень, где
они могут быть преобразованы в гликоген или использованы для получения энергии.
Таким образом, переваривание углеводов в организме проходит несколько этапов,
начиная с полости рта и заканчивая всасыванием моносахаридов в кровеносное
русло.
(первом из преджелудков) происходит 50% переваривания сахаров. Ферменты
вырабатываются микрофлорой рубца (мальтаза, сахараза, целлюлаза).
Образовавшиеся в результате ферментативного гидролиза поли- и дисахаридов
моносахара под действием бактерий рубца подвергаются процессам брожения, среди
которых выделяют следующие виды:
1) уксуснокислое (Глю = уксусная кислота + СО2);
2) пропионовокислое (Глю = пропионовая кислота + СО2);
3) маслянокислое (Глю = масляная кислота + СО2);
4) молочнокислое (Глю = молочная кислота + СО2).
Все эти кислоты называются летучими жирными кислотами (ЛЖК). Наилучший
вариант, когда уксуснокислое брожение составляет 70% и хуже когда преобладает
маслянокислое. ЛЖК всасываются в стенки сетки и книжки и идут на энергетические
нужды организма.
В сычуге (истинный желудок, имеет строение как и у моногастричных) переваривания
углеводов не происходит из-за отсутствия ферментов.
В тонком отделе кишечника идет переваривание остатков сахаров как и у
моногастричных животных.
Давно известно, что значительная часть питательных веществ корма переваривается
у жвачных в преджелудках за счет симбиотической микрофлоры. Здесь
переваривается 80-95% крахмала и растворимых углеводов рациона, 60-70%
клетчатки, 40-80% белков.
В преджелудках также происходят процессы превращения липидов, нитратов и
других веществ, синтез микробного белка и аминокислот.
Летучие жирные кислоты, образующиеся в процессе микробной ферментации корма,
всасываясь через эпителий преджелудков, служат источником энергии для организма
животного, а также предшественниками компонентов молока. Правильное течение
процессов в преджелудках - залог нормального обмена веществ.
-------— 16. Синтез и распад гликогена в печени. Гликогенолиз в мышцах. Регуляция
этих процессов.
Синтез гликогена (гликогенез)
Прежде всего глюкоза подвергается фосфорилированию при участии фермента
гексокиназы, а в печени- и глюкокиназы. Далее глюкозо-6-фосфат под влиянием
фермента фосфоглюкомутазы переходит в глюкозо-1-фосфат (ред.)
Образовавшийся глюкозо-1-фосфат уже непосредственно вовлекается в синтез
гликогена. На первой стадии синтеза глюкозо-1-фосфат вступает во взаимодействие с
УТФ (уридинтрифосфат), образуя уридиндифосфатглюкозу (УДФ-глюкоза) и пирофосфат. Данная реакция катализируется ферментом
глюкозо-1-фосфат-уридилилтрансферазой (УДФГ-пирофосфорилаза):
На второй стадии - стадии образования гликогена - происходит перенос глюкозного
остатка, входящего в состав УДФ-глюкозы, на глюкозидную цепь гликогена
(«затравочное» количество).
Образующийся УДФ затем вновь фосфорилируется в УТФ за счет АТФ, и таким
образом весь цикл превращений глюкозо-1-фосфата начинается сначала.
В мышцах гликоген используется для обеспечения энергией во время физических
нагрузок. Гликогенолиз в мышцах также начинается с действия
гликогенфосфорилазы. Однако в отличие от печени, в мышцах нет фермента, который
может высвободить глюкозу в кровоток. Вместо этого, глюкозо-6-фосфат
используется непосредственно в гликолитическом пути для производства ATФ, что
важно для мышечной активности.
Регуляция процессов
Регуляция синтеза и распада гликогена осуществляется через гормоны и ферменты.
Гормоны:
Инсулин стимулирует синтез гликогена и ингибирует его распад, способствуя
накоплению энергии.
Глюкагон и адреналин активируют гликогенолиз, повышая уровень глюкозы в крови,
что необходимо для обеспечения организма энергией в условиях стресса или
физической активности.
Ферменты:
Гликогенсинтаза регулирует синтез гликогена.
Гликогенфосфорилаза контролирует его распад.
-----------— 17. Биохимические механизмы поддержания нормального уровня глюкозы
в крови при голодании.
При голодании уровень глюкозы поддерживается преимущественно двумя методами:
глюкогенезом и гликогенолизом.
Гликогенолиз — биохимический процесс расщепления гликогена до глюкозы.
Фосфорилаза переводит гликоген в активную форму, гликоген распадается с
образование глюкозо-1-фосфата, затем он преобразуется в глюкозо-6-фосфат, а тот в
свою очередь в глюкозу.
Глюкогенез — метаболический путь, приводящий к образованию глюкозы из
неуглеводных соединений. Этот путь поддерживает в крови уровень глюкозы,
необходимый для работы многих тканей и органов, в первую очередь, нервной ткани
и эритроцитов.
Глюконеогенез идет обратными стадиями гликолиза, кроме трех необратимых:
превращение пирувата в фосфоенолпируват образование фруктозо-6-фосфата из
фруктозо-1,6-бифосфата дефосфорилирование глюкозо-6-фосфата с образованием
глюкозы
Когда период голодания затягивается и содержание инсулина падает, глюконеогенез
в печени становится единственным источником поддержания эугликемии, поскольку
все запасы гликогена в печени уже израсходованы. Одновременно из жировой ткани
метаболизируются жирные кислоты для обеспечения источника энергии для
мышечной деятельности и доступной глюкозы для центральной нервной системы.
Жирные кислоты окисляются в печени с образованием кетоновых тел.
Если голодание продолжается дни и недели, включаются другие гомеостатические
механизмы, которые обеспечивают сохранение белковой структуры организма,
замедляя глюконеогенез и переключая мозг на утилизацию кетоновых молекул.
Сигналом для использования кетонов служит повышение их концентрации в
артериальной крови. При длительном голодании наблюдаются крайне низкие
концентрации инсулина в крови. (ред.)
------------— 18. Пентозный путь окисления углеводов.
Пентозофосфатный путь — альтернативный путь окисления глюкозы, включает в себя
окислительный и неокислительный этапы.
Суммарное уравнение пентозофосфатного пути:
3 глюкозо-6-фосфат + 6 НАДФ+ → 3СО2 + 6 (НАДФH + Н+) + 2 фруктозо-6-фосфат +
глицеральдегид-3-фосфат.
В дальнейшем глицеральдегид-3-фосфат превращается в пируват с образованием
двух молекул АТФ.
Пентозофосфатный путь распространён у растений и животных, а у большинства
микроорганизмов имеет только вспомогательное значение. Ферменты
пентозофосфатного пути располагаются в цитозоле и животных, и растительных
клеток; кроме того, в клетках млекопитающих они располагаются также в
эндоплазматическом ретикулуме.
У млекопитающих активность пентозного цикла относительно высока в печени,
надпочечниках, в эмбриональной ткани и в молочной железе в период лактации.
Значение этого пути в обмене веществ велико. Он поставляет восстановленный НАДФ
(НАДФН2), необходимый для биосинтеза жирных кислот, холестерина и т. д. Вторая
функция пентозного цикла заключается в том, что он поставляет пентозофосфаты для
синтеза нуклеиновых кислот и многих коферментов. При ряде патологических
состояний удельный вес пентозного пути окисления глюкозы возрастает. Механизм
реакций пентозного цикла достаточно расшифрован.
---------— 19. Транспорт липидов в организме.
Образование хиломикронов и транепорт липидов. Ресинтезированные в
эпителиальных клетках кишечника триглицериды и фосфолипиды, а также
поступивший в эти клетки из полости кишечника холестерин (здесь он может
частично эстерифицироваться) соединяются с небольшим количеством белка и
образуют относительно стабильные комплексные частицы - хиломикроны (ХМ).
Последние содержат около 2% белка, 7% фосфолипидов, 8% холестерина и его
эфиров и более 80% триглицеридов.
Диаметр ХМ колеблется от 0,1 до 5 мкм. Благодаря большим размерам частиц ХМ не
способны проникать из эндотелиальных клеток кишечника в кровеносные капилляры
и диффундируют в лимфатическую систему кишечника, а из нее - в грудной
лимфатический проток. Затем из грудного лимфатического протока ХМ попадают в
кровяное русло, т.е. с их помощью осуществляется транспорт экзогенных
триглицеридов, холесте-рина и частично фосфолипидов из кишечника через
лимфатическую систему в кровь.
Транспорт липидов в крови
Липиды не растворимы в воде, поэтому их транспорт осуществляется в виде
липопротеидов, представляющих собой комплексы липидов и белков. (ред.)
-------— 20. Окисление жирных кислот.
Процесс окисления жирных кислот складывается из следующих ос-новных этапов.
Активация жирных кислот. Свободная жирная кислота независимо от длины
углеводородной цепи является метаболически инертной и не может подвергаться
никаким биохимическим превращениям, в том числе окисле-нию, пока не будет
активирована. Активация жирной кислоты протекает на наружной поверхности
мембраны митохондрий при участии АТФ, коэнзима
A (HS-KoA) и ионов Mg2 +
. Реакция катализируется ферментом ацил-КоАсинтетазой:
Транспорт жирных кислот внутрь митохондрий. Коэнзимная форма жирной кислоты, в
равной мере как и свободные жирные кислоты, не обладает способностью проникать
внутрь митохондрий, где, собственно, и протекает их окисление.
Внутримито хондриальное окисление жирных кислот. Процесс окисления жирной
кислоты в митохондриях клетки включает несколько последовательных
энзиматических реакций.
Первая стадия дегидрирования. Ацил-КоА в митохондриях прежде всего подвергается
ферментативному дегидрированию, при этом ацил-КоА теряет 2 атома водорода в а- и
В-положениях, превращаясь в КоА-эфир ненасыщенной кислоты. Таким образом,
первой реакцией в каждом цикле распада ацил-КоА является его окисление ацилКоА-Де-гидрогеназой, приводящее к образованию еноил-КоА с двойной связью между
С-2 и С-3
Стадия гидратации. Ненасыщенный ацил-КоА (еноил-КоА) при участии фермента
еноил-КоА-гидратазы присоединяет молекулу воды.
В результате образуется В-оксиацил-КоА (или 3-гидроксиацил-КоА):
Вторая стадия дегидрирования. Образовавшийся В-оксиацил-КоА
(3-гидроксиацил-КоА) затем дегидрируется. Эту реакцию катализируют
НАД*-зависимые дегидрогеназы
Тиолазная реакция. В ходе предыдущих реакций происходило окисление метиленовой
группы при С-3 в оксогруппу. Тиолазная реакция представляет собой расщепление 3-
оксоацил-КоА с помощью тиоловой грушы второй молекулы код. В результате
образуется укороченный на два углеродных атома ацил-КоА и двууглеродный
фрагмент в виде ацетил-КоА.
—————- 21. Синтез жирных кислот
Синтез жирных кислот — это биохимический процесс, при котором жирные кислоты
образуются из ацетил-КоА и НАДФН под действием ферментов, называемых синтазами
жирных кислот. Он происходит в цитоплазме клетки. Первая реакция синтеза жирных
кислот — превращение ацетил-КоА в малонил-КоА с использованием энергии АТФ под
действием ацетил-КоА-карбоксилазы. Последующие реакции синтеза катализируются
ферментативной системой — синтазой жирных кислот типа I. Промежуточные
продукты синтеза жирных кислот связаны тиоэфирной связью с одной или двумя
тиольными (–SH) группами синтазы до конечной стадии — образования пальмитата.
Другие жирные кислоты в организме человека синтезируются из пальмитиновой
кислоты. Удлинение углеродного скелета происходит также с использованием
малонил-КоА. Таким образом синтезируется, например, стеариновая кислота.
Образованные жирные кислоты не остаются в клетках в свободном виде, а
используются для синтеза жиров и фосфолипидов.
———- 22. Синтез триглицеридовэ. Синтез фосфолипидов.
Синтез триглицеридов происходит из глицерина и жирных кислот (главным образом
стеариновой, пальмитиновой и олеиновой). Путь биосинтеза в тканях протекает через
образование α-глицерофосфата (глицерол-3-фосфата) как промежуточного
соединения. В почках, а также в стенке кишечника, где активность фермента
глицеролкиназы высока, глицерин фосфорилируется за счёт АТФ с образованием
глицерол-3-фосфата. В жировой ткани и мышцах образование глицерол-3-фосфата в
основном связано с процессами гликолиза и гликогенолиза.
Синтез фосфолипидов включает несколько этапов: 2
Синтез глицерол-3-фосфата. 2 В почках, а также в стенке кишечника глицерин
фосфорилируется за счёт АТФ с образованием глицерол-3-фосфата.
Синтез фосфатидной кислоты. 2 Образовавшийся глицерол-3-фосфат
последовательно ацилируется двумя молекулами КоА-производного жирной кислоты
(то есть «активными формами жирной кислоты — ацил-КоА). В результате образуется
фосфатидная кислота (фосфатидат). Гидролиз фосфатидной кислоты. Далее
фосфатидная кислота гидролизуется фосфатидат-фосфогидролазой до 1,2-
диглицерида (1,2-диацилглицерола).
Превращение 1,2-диглицерида в триглицерид. Затем 1,2-диглицерид ацилируется
третьей молекулой ацил-КоА и превращается в триглицерид (триацилглицерол).
25)
Спонтанное свободнорадикальное окисление ненасыщенных соединений происходит,
например, в продуктах питания, особенно при неправильном приготовлении и
хранении пищи. Признаки такого окисления — прогоркание жиров, образование
более тёмного слоя на поверхности сливочного масла, появление специфического
запаха у молочных продуктов.
Для предотвращения свободнорадикального окисления ненасыщенных соединений в
продукты питания, содержащие ненасыщенные липиды, обычно добавляют
антиоксиданты — вещества, которые ингибируют этот процесс и сохраняют структуру
компонентов пищи.
В организме для предотвращения свободнорадикальных процессов существует
антиоксидантная система. Она представлена комплексом ферментативных систем и
природных соединений, которые позволяют утилизировать свободные радикалы и
предотвращать их негативное воздействие на организм. 2 Некоторые элементы
антиоксидантной системы:
Ферменты-перехватчики. 1 Супероксиддисмутаза (СОД), каталаза и
глутатионпероксидаза. Гидрофильные скавенджеры радикалов. Восстановленный
глутатион, аскорбат, урат, тиолы (цистеин, эрготионеин).
Липофильные перехватчики радикалов. Токоферолы, флавоноиды, каротиноиды,
убихиноны, билирубин.
Ферменты, осуществляющие восстановление окисленных низкомолекулярных
биоантиоксидантов. Например, глутатионредуктаза.
Также антиоксидантной активностью обладают стероидные гормоны, билирубин,
церулоплазмин, трансферрин, альбумин, SH-группы белков. (ред.)
———- 23. Строение и функции клеточных мембран, их участие в метаболизме.
Строение и состав мембран
Биологические мембраны представляют собой «ансамбли» липидных и белковых
молекул, удерживаемых вместе с помощью нековалентных взаимодействий.
Основу мембраны составляет двойной липидный слой, в формировании которого
участвуют фосфолипиды и гликолипиды. Липидный бислой образован двумя рядами
липидов, гидрофобные радикалы которых спрятаны внутрь, а гидрофильные группы
обращены наружу и контактируют с водной средой. Белковые молекулы как бы
«растворены» в липидном бислое.
Липидный состав мембран различен, содержание того или другого липида, повидимому, определяется разнообразием функций, выполняемых этими липидами в
мембранах.
Фосфолипиды. Все фосфолипиды можно разделить на 2 группы —
глицерофосфолипиды и сфингофосфолнпиды. Глицерофосфолипиды относят к
производным фосфатидной кислоты. Наиболее распространённые
глицерофосфолипиды мембран — фосфатидилхолины и фосфатидилэтаноламины. В
мембранах эукариотических клеток обнаружено огромное количество разных
фосфолипидов, причём они распределены неравномерно по разным клеточным
мембранам. Эта неравномерность относится к распределению как полярных
«головок», так и ацильных остатков.
Каждый глицерофосфолипид, например фосфатидилхолин, представлен несколькими
десятками фосфатидилхолинов, отличающихся друг от друга строением жирнокислотных остатков.
На долю глицерофосфолипидов (полярная группа — инозитол) приходится лишь 2-8%
всех фосфолипидов, содержащихся в клеточной мембране эукариотов.
Специфические фосфолипиды внутренней мембраны митохондрий — кардиолипины
(ди-фосфатидилглицеролы), построенные на основе глицерола и двух остатков
фосфатид-ной кислоты. Они синтезируются ферментами внутренней мембраны
митохондрий и составляют около 22% от всех фосфолипидов мембраны.
В плазматических мембранах клеток в значительных количествах содержатся
сфингомие-лины. Сфингомиелины построены на основе церамида — ацилированного
аминоспирта сфингозина. Полярная группа состоит из остатка фосфорной кислоты и
холина, этаноламина или серина. Сфингомиелины — главные липиды миелиновой
оболочки нервных волокон.
Гликолипиды. В гликолипидах гидрофобная часть представлена церамидом.
Гидрофильная группа — углеводный остаток, присоединённый гликозидной связью к
гидроксильной группе у первого углеродного атома церамида. В зависимости от
длины и строения углеводной части различают цереброзиды, содержащие моно- или
олигосахаридный остаток, и ганглиозиды, к ОН-фуппе которых присоединён сложный,
разветвлённый олигосахарид, содержащий N-ацетилнейраминовую кислоту (NANA).
Полярные «головки» гликосфинголипидов находятся на наружной поверхности
плазматических мембран. В значительных количествах гли-колипиды содержатся в
мембранах клеток мозга, эритроцитов, эпителиальных клеток. Ганглиози-ды
эритроцитов разных индивидуумов различаются строением олигосахаридных цепей,
проявляющих антигенные свойства.
Холестерол. Холестерол присутствует во всех мембранах животных клеток. Его
молекула состоит из жёсткого гидрофобного ядра и гибкой углеводородной цепи,
единственная гидроксильная группа является «полярной головкой».
Наличие холестерола в мембранах уменьшает подвижность жирных кислот, снижает
латеральную диффузию липидов и белков, и поэтому может влиять на функции
мембранных белков.
В составе мембран растений холестерола нет, а присутствуют растительные стероиды
— ситостерол и стигмастерол.
К основным функциям мембран можно отнести:
Барьерную – проницаемость мембраны для разных типов молекул неодинакова.
Чтобы миновать оболочку клетки, молекула должна иметь определенный размер,
химические свойства и электрический заряд. отделение клетки от окружающей среды
и формирование внутриклеточных компартментов (отсеков);
Транспортную – сквозь мембрану проходит пассивный, активный, регулируемый и
избирательный обмен. Пассивный обмен подходит для жирорастворимых веществ и
газов, состоящих из очень маленьких молекул. Такие вещества проникают внутрь и
выходят из клетки без затрат энергии, свободно, методом диффузии. Активная
транспортная
функция клеточной мембраны задействуется тогда, когда в клетку или из нее нужно
провести необходимые, но трудно транспортируемые вещества. А избирательная
транспортная функция связана с интегральными белками, которые пронизывают
мембрану и служат каналом для входа и выхода строго определенных типов молекул;
контроль и регулирование транспорта огромного разнообразия веществ через
мембраны;
Матричную – клеточная мембрана определяет и фиксирует расположение органоидов
относительно друг друга (ядра, митохондрий, хлоропластов) и регулирует
взаимодействие между ними;
Механическую – обеспечивает ограничение одной клетки от другой, и, в то же
время,— правильное соединение клеток в однородную ткань и устойчивость органов к
деформации;
Защитную – как у растений, так и у животных, клеточная мембрана служит основой
для построения защитного каркаса
Энергетическую — процессы фотосинтеза и клеточного дыхания были бы невозможны
без участия белков клеточной мембраны, ведь именно с помощью белковых каналов
клетки обмениваются энергией; участие в обеспечении межклеточных
взаимодействий, передаче внутрь клетки сигналов; преобразование энергии пищевых
органических веществ в энергию химических связей молекул АТФ.
Рецепторную— белки, встроенные в клеточную мембрану, могут обладать ещё одной
важной функцией. Они служат рецепторами, благодаря которым клетка получает
сигнал от гормонов и нейромедиаторов. А это, в свою очередь, необходимо для
проведения нервных импульсов и нормального течения гормональных процессов;
Ферментативную — ещё одна важная функция, присущая некоторым белкам
клеточных мембран. Например, в эпителии кишечника с помощью таких белков
синтезируются пищеварительные ферменты;
Биопотенциальную – концентрация ионов калия внутри клетки значительно выше,
чем снаружи, а концентрация ионов натрия, наоборот, снаружи больше, чем внутри.
Этим и объясняется разность потенциалов: внутри клетки заряд отрицательный, в
снаружи положительный, что способствует движению веществ внутрь клетки и
наружу при любом из трех типов обмена – фагоцитозе, пиноцитозе и экзоцитозе;
————— 24. Строение, синтез и биологическое значение холестерола.
Холестерол относится к группе соединений, имеющих в своей основе циклопентанпергидрофенантреновое кольцо, и является ненасыщенным спиртом.
Источники
Синтез холестерола в организме составляет примерно 0,5-0,8 г/сут, при этом
половина образуется в печени, около 15% в кишечнике, оставшаяся часть в любых
клетках, не утративших ядро. Таким образом, все клетки организма способны
синтезировать холестерол.
Биосинтез холестерина, как и всех изопреноидов, начинается с ацетил-КоА
Углеродный скелет C27-стерина строится из C2-звеньев в длинной и сложной
последовательности реакций. Биосинтез холестерина можно разделить на четыре
этапа. На первом этапе (1) из трёх молекул ацетил-КоА образуется мевалонат (C6).
На втором этапе (2) мевалонат превращается в «активный изопрен»,
изопентенилдифосфат. На третьем этапе (3) шесть молекул изопрена полимеризуются
с образованием сквалена (C30). Наконец, сквален циклизуется с отщеплением трёх
атомов углерода и превращается в холестерин (4). На схеме представлены только
наиболее важные промежуточные продукты биосинтеза. 1. Образование мевалоната.
Превращение ацетил-КоА в ацетоацетил-КоА и затем в 3-гидрокси-3-метилглутарилКоА (3-ГМГ-КоА) соответствует пути биосинтеза кетоновых тел, однако этот процесс
происходит не в митохондриях, а в эндоплазматическом ретикулуме (ЭР). 3-ГМГ-КоА
восстанавливается с отщеплением кофермента A с участием 3-ГМГ-КоА-редуктазы,
ключевого фермента биосинтеза холестерина. На этом важном этапе путём репрессии
биосинтеза фермента (эффекторы: гидроксистерины), а также за счёт
взаимопревращения молекулы фермента (эффекторы: гормоны) осуществляется
регуляция биосинтеза холестерина. Например, фосфорилированная редуктаза
представляет собой неактивную форму фермента: инсулин и тироксин стимулируют
фермент, глюкагон тормозит; холестерин, поступающий с пищей, также подавляет 3-
ГМГ-КоА-редуктазу. 2. Образование изопентенилдифосфата. Мевалонат за счёт
декарбоксилирования с потреблением АТФ превращается в изопентенилдифосфат,
который и является тем структурным элементом, из которого строятся все
изопреноиды. 3. Образование сквалена. Изопентенилдифосфат подвергается
изомеризации с образованием диметилаллилдифосфата. Обе C5-молекулы
конденсируются в геранилдифосфат и в результате присоединения следующей
молекулы изопентенилдифосфата образуют фарнезилдифосфат. При димеризации
последнего по типу «голова к голове» образуется сквален. Фарнезилдифосфат
является также исходным соединением для синтеза других полиизопреноидов, таких,
как долихол и убихинон. 4. Образование холестерина. Сквален, линейный
изопреноид, циклизуется с потреблением кислорода в ланостерин, C30-стерин, от
которого на последующих стадиях, катализируемых цитохромом P450, отщепляются
три метильные группы, вследствие чего образуется конечный продукт — холестерин.
Описанный путь биосинтеза локализован в гладком ЭР. Синтез идёт за счёт энергии,
освобождающейся при расщеплении производных кофермента А и энергетически
богатых фосфатов. Восстановителем при образовании мевалоната и сквалена, а также
на последних стадиях биосинтеза холестерина является НАДФН + Н+. Для этого пути
характерно то, что промежуточные метаболиты можно подразделить на три группы:
производные кофермента A, дифосфаты и высоко липофильные соединения (от
сквалена до холестерина), связанные с переносчиками стеринов.
1. Структурная – входит в состав мембран, обуславливая их вязкость и жесткость.
2. Связывание и транспорт полиненасыщенных жирных кислот между органами и
тканями в составе липопротеинов низкой и высокой плотности. Примерно 1/4 часть
всего холестерола в организ