Превращение галактозы в глюкозу Нарушения превращения галактозы

Нарушения обмена галактозы могут быть вызваны генетическим дефектом одного из ферментов:

●галактокиназы, частота дефекта 1:500000,

●галактозо-1-фосфат-уридилтрансферазы, частота дефекта 1:40000,

●эпимеразы, частота дефекта менее 1:1000000.

Заболевание, возникающее при этих нарушениях, получило название

галактоземия.

Диагностика. Дети отказываются от еды. Концентрация галактозы в крови возрастает до 11,1-16,6 ммоль/л (норма 0,3-0,5 ммоль/л), в крови появляется галактозо-1-фосфат. К лабораторным критериям относятся также билирубинемия,

галактозурия, протеинурия, гипераминоацидурия, накопление гликозилированного гемоглобина.

Патогенез. Избыток галактозы превращается в спирт галактитол (дульцитол), накапливающийся в хрусталике и осмотически привлекающий сюда воду. Изменяется солевой состав, нарушается конформация белков хрусталика, что

приводит к катаракте в молодом возрасте. Катаракта возможна даже у плодов матерей с галактоземией, употреблявших молоко во время беременности.

При дефекте галактозо-1-фосфат-уридил-трансферазы АТФ постоянно

расходуется на фосфорилирование галактозы и дефицит энергии угнетает

активность многих ферментов, "токсически" действуя на нейроны, гепатоциты, нефроциты. Как результат возможны задержка психомоторного развития, умственная отсталость, некроз гепатоцитов и цирроз печени. В почках и

Рисунок 2. Схема реакций синтеза гликогена в печени.

Рисунок 3. Схема реакций мобилизации гликогена в печени.

31.2.2. Пути образования глюкозы. В некоторых условиях (при голодании низкоуглеводной диете, длительной физической нагрузке) потребность организма

в углеводах превышает то количество, которое всасывается из желудочно-

кишечного тракта. В таком случае образование глюкозы осуществляется с помощью глюкозо-6-фосфатазы, катализирующей гидролиз глюкозо-6-фосфата в клетках печени. Непосредственным источником глюкозо-6-фосфата служит гликоген. Схема мобилизации гликогена представлена на рисунке 3.

Мобилизация гликогена обеспечивает потребности организма человека в глюкозе

на протяжении первых 12 - 24 часов голодания. В более поздние сроки основным

источником глюкозы становится глюконеогенез - биосинтез из неуглеводных

источников.

Основными субстратами для глюконеогенеза служат лактат, глицерол и аминокислоты (за исключением лейцина). Эти соединения сначала превращаются

в пируват или оксалоацетат - ключевые метаболиты глюконеогенеза.

Глюконеогенез - процесс, обратный гликолизу. При этом барьеры, создаваемые

необратимыми реакциями гликолиза, преодолеваются при помощи специальных ферментов, катализирующих обходные реакции (см. рисунок 4).

Из других путей обмена углеводов в печени следует отметить превращение в

глюкозу других пищевых моносахаридов - фруктозы и галактозы.

Рисунок 4. Гликолиз и глюконеогенез в печени.

Ферменты, катализирующие необратимые реакции гликолиза: 1 - глюкокиназа;

2 - фосфофруктокиназа; 3 - пируваткиназа.

Ферменты, катализирующие обходные реакции глюконеогенеза: 4 -

пируваткарбоксилаза; 5 - фосфоенолпируваткарбоксикиназа; 6 -фруктозо-1,6-

дифосфатаза; 7 - глюкозо-6-фосфатаза.

Источники глюкозы: мобилизация гликогена, глюконеогенез,другие моносахариды

Вопрос 9

Особенности обмена гликогена в печени и мышцах при некоторых физиологических состояниях (потребление пищи, голодание, мышечная активность). Участие гормонов в этих процессах.

Регуляция ферментов обмена гликогена – гликогенсинтазы и гликогенфосфорилазы: гормональная – влияние адреналина и глюкагона (аденилатциклазный механизм, роль цАМФ и протеинкиназы А); роль инсулина и участие фосфодиэстеразы в снижении концентрации цАМФ в клетке;аллостерическаярегуляцияактивностигликогенфосфорилазыприучастииАМФ;кальцийзависимая активация киназы фосфорилазы гликогена.

Генетические нарушения синтеза (агликогеноз) и распада гликогена (печеночные, мышечные и смешанные гликогенозы).

Вопрос 10

Характеристика процесса гликолиза: локализация и условия протекания процесса, последовательность реакций и ферменты, конечные продукты, участие адениловых нуклеотидов и энергетический эффект, необратимые реакции гликолиза, реакции гликолиза,сопряженныеспотреблениемАТФ,реакциисубстратногофосфорилирования,их сущность и значение, гликолитическая оксидоредукция ее сущность и значение.

гликолиз – процесс, в ходе которого молекула глюкозы, построенная из шести углеродных атомов, расщепляется ферментативным путём в десяти последовательных реакциях до двух молекул пирувата, содержащих по три углеродных атома. На протяжении этой последовательности реакций значительная часть энергии, высвободившейся из глюкозы,

запасается в форме АТФ.

Локализация: цитоплазма Первые пять этапов – подготовительная стадия гликолиза. В этих реакциях глюкоза

фосфорилируется за счёт АТФ сначала в положении 6, зачем в положении 1 с образованием фруктозо-1,6,-дифосфата, который затем расщепляется на две молекулы трёхуглеродного соединения – глицеральдегид-3-фосфата. Таким образом, продукт первой стадии гликолиза –

глицеральдегид-3-фосфат. Затрачивается на этот этап 2 молекулы АТФ, впоследствии этот

«вклад» принесёт весьма солидную прибыль)Другие гексозы, в частности, фруктоза, галактоза, манноза, тоже могут вовлекаться в подготовительную стадию гликолиза после того, как они

подвергнутся фосфорилированию. ТО ЕСТЬ: подготовительная стадия гликолиза служит для того, чтобы все углеродные цепочки

гексоз превратились в один общий продукт – глицеральдегид-3-фосфат. Вторая стадия гликолиза так же состоит из 5 реакций и представляет собой, образно говоря, выплату процентов. Мы потратили драгоценное АТФ в подготовительном этапе, настал час расплаты.Во второй стадии гликолиза энергия, высвобождающаяся при превращении двух молекул пирувата, запасается в виде четырёх молекул АТФ.

!!! Однако, общий выход АТФ в процессе гликолиза равен двум, т.к. две мы потратили в подготовительном этапе.Важно знать, что все девять промежуточных продуктов гликолиза

являются фосфорилированными соединениями. Фосфатные группы выполняют, по видимому, три функции:

1)При pH=7 фосфатные группы полностью ионизированы и поэтому придают суммарный отрицательный заряд, а т.к. клеточные мембраны обычно непроницаемы для молекул, несущих электрический заряд, метаболиты гликолиза не могут покинуть клетку. Ловушка, ха.

2)Фосфатные группы являются необходимыми компонентами в процессе ферментативного запасания метаболической энергии, поскольку они в конце концов передаются на АДФ с образованием АТФ 3)Выполняют функцию узнавания - занимают правильное положение относительно активных

центров соответствующих ферментов. ПЕРВАЯ СТАДИЯ ГЛИКОЛИЗА:

1. Фосфорилирование глюкозы (необратима)

Происходит активация глюкозы путём фосфорилирования засчёт АТФ. «Пусковая реакция»

Субстрат: D-глюкоза

Фермент: ГЕКСОКИНАЗА (ГЛЮКОКИНАЗА) Продукт: глюкозо-6-фосфат

Необходимы: ионы Mg2+ и АТФ

2. Превращение глюкозо-6-фосфата во фруктозо-6-фосфат

Субтрат: глюкозо-6-фосфат(альдоза) Фермент:ФОСФОГЛЮКОИЗОМЕРАЗА Продукт: фруктозо-6-фосфат (кетоза)

Необходимы: ионы Mg2+.

Карбонильная группа перемещается при этом из положения 1 в положение 2

3. Фосфорилирование

фруктозо-6-фосфата с образованием фруктозо-1,6-дифосфата

Перенос фосфатной группы от АТФ в положение 1 фруктозо-6-фосфата, в результате чего образуется фруктозо-1,6-дифосфат.

Субстрат: фруктозо-6-фосфат Фермент: ФОСФОФРУТОКИНАЗА Продукт: фруктозо-1,6-дифосфат Необходимы: АТФ и Mg2+

Реакция практически необратима, является важным «контрольным пунктом гликолиза». Фосфофруктокиназа является главным регуляторным ферментом в гликолизе мышц. Каждый раз, когда у клетки иссякает запас АТФ или накапливается АДФ и АМФ, активность фосфофруктокиназы возрастает. И напротив, ингибируется, когда в клетке достаточно АТФ и другого клеточного «топлива» - цитрата или жирных кислот

4. Расщепление фруктозо-1,6-дифосфата

Субстрат: фруктозо-1,6-дифосфат Фермент: фруктозодифосфатальдолаза или просто АЛЬДОЛАЗА Продукты: глицеральдегид-3-фосфат (альдозы) и дигидроксиацентонфосфат (кетозы) Т.е. грубо говоря, молекулу фруктозы мы поделили пополам.

5. Взаимопревращения триозофосфатов

Из прошлой реакции только глицеральдегид-3-фосфат способен подвергаться расщеплению в последующих реакциях гликолиза. Второй продукт прошлой реакции – дигидроксиацетон-фосфат может легко и обратимо превращаться в нужный глицеральдегид—3-фосфат.

Субстрат: дигилроксиацетон-фосфат Фермент: триозофосфатизомераза Продукт: глицеральдегид-3-фосфат

Этой реакцией завершается первая стадия гликолиза.

Таким образом, на первой стадии гликолиза молекула гексозы (глюкозы) :

1)Фосфорилируется по положениям 1 и 6

2)Расщепляется с образованием в конечном счете двух молекул глицеральдегид-3-фосфата.

ВТОРАЯ СТАДИЯ ГЛИКОЛИЗА – ЗАПАСАНИЕ ЭНЕРГИИ

Вторая стадия гликолиза включает реакции фосфорилирования, в ходе которых свободная энергия, содержавшаяся в исходной молекуле глюкозы, высвобождается и запасается в форме АТР.

Превращение двух молекул глицеральдегид-3-фосфата в две молекулы пирувата сопровождается образованием четырех молекул АТФ из

ADP.

6. Окисление глицеральдегид-3-фосфата до 3-фосфоглицероилфосфата

Ведёт к запасанию АТФ. Альдегидная группа глицеральдегид-3-фосфата окисляется, но при этом образуется не карбоновая кислота, а смешанный ангидрид фосфорной и 3-фосфоглицериновой кислоты – 3-фосфоглицероилфосфат (ацилфосфат)

Субстрат: глицеральдегид-3-фосфат Фермент: ГЛИЦЕРОЛФОСФАТДЕГИДРОГЕНАЗА

Акцептор водорода: НАД+, восстанавливается до НАДН+Н+ Продукт: 3-фосфоглицероилфосфат или 1,3-дифосфоглицерат (ацилфосфат) –

сверхвысокоэнергетическое фосфорилированное соединение, т.е. макроэрг.

Механизм действия глицеральдегидфосфатдегидрогеназы довольно сложен. Сначала субстрат взаимодей ствует с SH-группой остатка цистеина, играющего важную роль в активном центре фермента. Затем фермент катализирует перенос гидрид-иона от ковалентно связанного субстрата на NAD + , также прочно связанный с его активным центром. В ходе этого процесса возникает высокоэнергетический ковалентный ацилферментный комплекс. Этот комплекс взаимодействует с неорганическим фосфатом, в результате чего образуется свободный 3-фосфоглицероилфосфат и регенерирует свободный фермент. NADH, образовавшийся в этой реакции, затем снова переходит в окисленную форму (NAD +), так что он может участвовать в расщеплении многих молекул

глюкозы до пирувата. Если бы такого реокисления NADH не происходило, то гликолиз быстро прекращался бы из-за исчерпания запаса NAD + , поскольку его количество в клетке невелико. 7. Перенос фосфатной группы от 3-фосфоглицероилфосфата на АДФ

Перенос высокоэнергетической фосфатной группы от карбоксильной группы 3- фосфоглицероилфосфата на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицерата

Субстрат: 3-фосфоглицероил-фосфат Фермент: ФОСФОГЛИЦЕРАТКИНАЗА Продукт: 3-фосфоглицерат + АТФ

6ая и 7ая реакция сопряжены – видно, что 3-фосфоглицероилфосфат, образующийся в 6ой реакции и являющийся макроэргическим соединением, отдаёт свою фосфатную группу на АДФ с образованием АТФ.

!!! Конечный результат этих двух реакций, обратимых в условиях клетки, заключается в том, что энергия, высвободившаяся при окислении альдегидной группы до карбоксильной, оказывается запасенной благодаря сопряженному образованию АТФ из AДФ и фосфата. Такое образование АТФ называется субстратным фосфорилированием.

Напомню, что субстратное фосфорилирование – это способ фосфорилирования, связанный с передачей макроэргического фосфата или энергии макроэргической связи какого-либо вещества

Субстрат: 3-фосфоглицерат Фермент: ФОСФОГЛИЦЕРАТМУТАЗА Продукт: 2-фосфоглицерат

Необходим: Mg2+

9. Дегидратация 2-фосфоглицерата с образованием фосфоенолпирувата

высокоэнергетическое (фосфорилированное) соединение – фосфоенолпируват Субстрат: 2-фосфоглицерат

Фермент: ЕНОЛАЗА

Продукт: фосфоенолпируват

Необходимы: Mg2+

Субстрат: фосфоенол-пируват Фермент: ПИРУВАТКИНАЗА

Продукт: пируват (пировиноградная кислота, ПВК)+АТФ Причём образуется пируват в енольной форме, однако енольная форма быстро переходит

неферментативным путём в кето-форму, доминирующую при pH=7,0.

11. Восстановление пирувата до лактата (только при отсутствии

кислорода)

Важная роль пирувата в катаболизме углеводов определяется тем, что это соединение лежит в точке пересечения различных катаболических путей.

При аэробных условиях в животных тканях продуктом гликолиза является пируват, a НАДН, образовавшийся в ходе окисления глицеральдегид-3-фосфата, реокисляется (т. е. снова превращается в NAD + ) за счет молекулярного кислорода (в дыхательной цепи)

Иначе обстоит дело в анаэробных условиях(например, в напряжённо работающих скелетных мышцах или в клетках молочнокислых бактерий). В этих условиях образовавшийся при гликолизе

НАДН реокисляется НЕ за счет кислорода (который отсутствует), а за счет пирувата,

восстанавливающегося при этом в лактат при действии ЛАКТАТДЕГИДРОГЕНАЗЫ.

Характеристика процесса глюконеогенеза: локализация и условия протекания реакций, субстраты, последовательность реакций и ферменты, реакции глюконеогенеза, сопряженные с потреблением ГТФ и АТФ, необратимые реакции глюконеогенеза, значение при голодании и физической работе, расход энергии для синтеза одной молекулы глюкозы. Роль гликолиза и глюконеогенеза в метаболизме плода и новорожденных.

До сих пор мы знакомились с тем, как главные типы питательных веществ - углеводы, жирные кислоты и аминокислоты,- расщепляясь, включаются по сходящимся катаболическим путям в цикл лимонной кислоты, чтобы передать свои богатые энергией электроны в дыхательную цепь. Перемещаясь по дыхательной цепи к кислороду, эти электроны поставляют энергию для синтеза АТФ. Теперь нам предстоит рассмотреть анаболические пути. На этих путях химическая энергия в форме АТФ и НАДН используется для синтеза клеточных компонентов из простых предшественников.

Катаболизм и анаболизм протекают одновременно; при этом поддерживается динамическое стационарное состояние, так что расщепление клеточных компонентов, обеспечивающее клетки энергией, уравновешивается биосинтетическими процессами, которые создают и поддерживают в живых клетках присущую им упорядоченность.

Здесь уместно вспомнить некоторые организационные принципы биосинтеза:

1. Пути биосинтеза и пути катаболизма расщепления тех или иных биомолекул, как правило, не идентичны. Эти пути могут включать какую-нибудь общую обратимую реакцию или даже

несколькотакихреакций,ноунихвсегдаимеетсяхотябыоднаферментативнаястадия,покоторой

они различаются.

2.Биосинтетическиепутиисоответствующиеимкатаболическиепутиконтролируютсяразными регуляторными ферментами.

3.Требующие затраты энергии биосинтетические процессы обязательно сопряжены с поставляющим энергию расщеплением АТФ, вследствие чего весь процесс в целом является практически необратимым, точно так же как в целом необратим катаболизм.

Первый анаболический путь, который мы с вами рассмотрим, это путь ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗА –

центрального биологического пути, который в животных тканях приводит к образованию

У всех высших животных биосинтез глюкозы – абсолютно необратимый процесс, потому что она служит единственным или главным источников топлива для нервной системы (в том числе для мозга), а так же для почек, семенников, эритроцитов и для всех тканей эмбриона.

Важными предшественниками D-глюкозы являются лактат, пируват, глицерол, большинство аминокислот(кроме кетогенных лейцина и лизина) и промежуточные продукты цикла лимонной кислоты.

являющегося продуктом липолиза в жировой ткани Из неуглеводных предшественников образуются так же и другие важные углеводы –

гликопротеины, дисахариды, прочие моносахариды. Особенно важное значение имеет биосинтез гликогена, протекающий в печени и мышцах. Как мы помним, гликоген – это резервуар глюкозы. Глюконеогенез протекает у животных главным образом в печени и значительно менее интенсивно

– в корковом веществе почек.

ПУТЬ ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗА.

Казалось бы, если мы синтезируем из глюкозы пируват там, лактат, почему бы нам просто не пройтись по этой цепочке гликолиза, которую мы уже знаем, в обратном направлении? Не всё так просто.

Гликолиз и глюконеогенез не идентичны, хотя и включают ряд общих этапов.

Семь ферментативных реакций гликолиза свойственны также и глюконеогенезу, все они легко обратимы. Однако мы помним, что в гликолизе были три необратимые реакции, которые по этой причине не могут использоваться в глюконеогенезе.

Поэтому глюконеогенез как бы обходит эти этапы. У него есть свои собственные реакции с другими ферментами.

Таким образом, и гликолиз, и глюконеогенез – процессы необратимые. Более того, эти процессы регулируются независимо друг от друга, т.е. их регуляция осуществляется через те ферментативные этапы, которые не являются общими для двух путей, те самые «обходные» реакции глюконеогенеза и необратимые реакции гликолиза.

Как известно, в гликолизе существуют три необратимые реакции: пируваткиназная (десятая), фосфофруктокиназная (третья) и гексокиназная (первая). В этих реакциях происходит высвобождение энергии для синтеза АТФ. Поэтому в обратном процессе возникают энергетические барьеры, которые клетка обходит с помощью дополнительных реакций.

Глюконеогенез включает все обратимые реакции гликолиза, и особые обходные пути, т.е. он не полностью повторяет реакции окисления глюкозы. Его реакции способны идти во всех тканях, кроме последней глюкозо-6-фосфатазной реакции, которая идет только в печени и почках. Поэтому, строго говоря, глюконеогенез идет только в этих двух органах.

ОБХОДНОЙ ПУТЬ 1

Превращение пирувата в фосфоенолпируват Итак вспоминаем, последняя реакция гликолиза – образование пирувата из фосфоенолпирувата.

Соответственно, обратная реакция должна быть первой реакцией глюконеогенеза.

НО мы не можем преобразовать пируват в фосфоенолпируват просто присоединив к нему АТФ. Вместо этого фосфорилирования пирувата достигается обходным путём.

Первый этап

этого обходного пути катализируется митохондриальной пируваткарбоксилазой – ферментом, содержащим биотин, катализирующий образование оксалоацетата из пирувата – основной анаплеротической(пополняющей) реакции Цикла Кребса.

Второй этап

– оксалоацетат, образовавшийся в митохондрии из пирувата, восстанавливается за счёт НАДН в МАЛАТ под действием малатдегидрогеназы. Ничего не напоминает?))

Мы помним даже не знаю откуда)0)0 что малат, в отличии от оксалоацетата, может спокойно покидать митохондрию антипортом и поступать в цитоплазму.

Здесь, в цитоплазме, он окисляется под действием НАД-зависимой малатдегидрогеназы с образованием оксалоацетата, только теперь уже внемитохондриального.

Получается, что так как мы не могли перенести оксалоацетат из митохондрии в цитоплазму, мы одной реакцией превратили его в малат, который может проникать через митохондриальную мембрану, и когда уже он попал в цитоплазму, снова превратили его в оксалоацетат.

Повернуть малатдегидрогеназную реакцию ЦТК вспять позволяет избыток НАДН в митохондриях. НАДН поступает из β-окисления жирных кислот, активируемого в гепатоците при

голодании.

Третий этап

– на образовавшийся оксалоацет действует фосфоенолпируваткарбоксилаза, требующая ионы Mg2+. Продуктом реакции является фосфоенолпируват, а источником фосфата – ГТФ

ОБХОДНОЙ ПУТЬ 2 Превращение фруктозо-1,6-дифосфата в фруктозо-6-фосфат.

Здесь принимает участие фермент фруктозодифосфатаза, которая катализирует практически необратимый гидролиз фруктозо-1,6- дифосфата с отщеплением фосфатной группы в положении 1, что приводит к образование фруктозо-6- фосфата.

Этот фермент есть в почках, печени, поперечно-полосатых мышцах. Таким образом, эти ткани способны синтезировать фруктозо-6-фосфат и глюкозо-6-фосфат.

ОБХОДНОЙ ПУТЬ 3 Образование глюкозы из глюкозо-6-фосфата

Это последняя реакция глюконеогенеза – синтез глюкозы из глюкозо- 6-фосфата. Это осуществляет глюкозо-6-фосфатаза, катализирующая эту необратимую гидролитическую реакцию.

Это Mg2+ зависимый фермент, обнаруживающийся в той фракции клеток печени, которая содержит эндоплазматический ретикулум.

ВАЖНО: глюкозо-6-фосфатаза отсутствует в таких тканях как мозг и мышцы, так что они не поставляют в кровь свободную глюкозу.

Послееды,содержащейуглевод,уровеньглюкозывкровиповышается.Частьглюкозыизрациона откладывается в печени в виде гликогена. Через 2-3 часа голодания гликоген начинает распадаться в процессе гликогенолиза, и глюкоза поступает в кровь. Когда запасы гликогена уменьшаются, триацилглицерины жировой ткани так же распадаются, обеспечивая организм жирными кислотами как альтернативным топливом и глицерином для синтеза глюкозы путём глюконеогенеза. Аминокислоты также высвобождаются из мышц и являются «глюконеогенами».

Во время ночного голодания уровень глюкозы в крови поддерживается и гликогенолизом, и глюконеогенезом. Однако, примерно через 30 часов голодания, запасы гликогена в печени в основном истощаются.

Напомню, что мышцы не используют гликоген для поддержания уровня глюкозы в крови, т.к. у них нет фермента – глюкозо-6-фосфатазы, поэтому не образуется свободная глюкоза. Мышцы могут только запасать, но не делиться.

Глюконеогенез необходим, но сопряжён с большими энергетическими затратами.

Реакции биосинтеза, ведущие от пирувата к глюкозе, можно выразить суммарным уравнением:

Итак, для образования из пирувата одной молекулы глюкозы израсходовать шесть высокоэнергетических фосфатных групп:

●4 из АТФ

●2 из ГТФ

Глюконеогенез – энергозатратный процесс.

Кроме того, для восстановления двух молекул 1,3-дифосфоглицерата необходимы 2 молекулы НAДH. В то же время для гликолиза нужны лишь 2 молекулы ATФ. По этой причине синтез глюкозы из пирувата является затратным процессом.

Большая часть энергитических затрат связаны с необходимостью обеспечить необратимость процесса глюконеогенеза.