Основы физической, коллоидной и биологической химии. Курс лекций

Г л ю к о з а

АТФ

АДФ Глюкозо-6-фосфат

изомераза Глюкозо-1-фосфат

УТФ

ФФнР + Р

пирофосфат УДФ-глюкоза

+ гликоген (затравка)

–УДФ

Г л и к о г е н

Рис. 11. Схема синтеза гликогена

Г л и к о г е н

+Н3РО4 фосфорилаза

Глюкозо-1-фосфат изомераза

Глюкозо-6-фосфат

Рис. 12. Схема распада гликогена

11.5. ОБМЕН УГЛЕВОДОВ В ТКАНЯХ

Глюкоза быстро окисляется в тканях с выделением 16 кДж/г. Существует три основных пути ее окисления:

1.Анаэробный распад (гликолиз).

2.Аэробный распад.

3.Пентозофосфатный путь (пентозный цикл).

81

11.5.1. Анаэробное окисление

Гликолиз – это анаэробное окисление глюкозы до молочной кислоты.

Гликогенолиз – это анаэробное окисление гликогена до молочной кислоты.

Схема анаэробного окисления гликогена и глюкозы (гликогенолиза и гликолиза):

АДФ

Глюкозо-1-фосфат изомераза Глюкозо-6-фосфат изомераза

Фруктозо-6-фосфат АТФ

82

Центральной (сопряженной) реакцией гликолиза является окисление 3-фосфоглицеринового альдегида в 1,3-дифосфогли- цериновую кислоту и восстановление ПВК в молочную кислоту.

Схема центральной сопряженной реакции гликолиза:

Биологическое значение гликолиза и гликогенолиза. 1. При окислении глюкозы (гликолизе) образуется четыре АТФ, но две расходуются, и часть энергии запасается в виде двух молекул АТФ, а при окислении гликогена (гликогенолизе) расходуется одна АТФ и запасается три АТФ, на каждую молекулу глюкозы. 2. При гликолизе выделяется около 10 % энергии глюкозы. 3. При гликолизе образуются вещества, которые используются для синтеза других соединений. Например: около 80 % молочной кислоты ресинтезируется в гликоген, 3-фосфоглицериновый альдегид может превращаться в фосфоглицерин, а ПВК, присоединив NН3, превращается в аланин.

Эффект Пастера – это торможение реакций гликолиза в присутствии кислорода.

Кроме глюкозы в реакциях гликолиза могут участвовать фруктоза, галактоза, манноза, сахароза, мальтоза, лактоза и др.

При спиртовом брожении реакции идут так же, как при гликолизе, но образовавшийся уксусный альдегид не окисляется в уксусную кислоту, а восстанавливается в этанол.

83

11.5.2. Аэробное окисление

Аэробный распад – это окисление глюкозы в тканях в присутствии О2 до СО2 и Н2О (основной путь её окисления). Если аэробный процесс наступает после анаэробного распада (гликолиза), то его называют аэробной фазой окисления глюкозы. Она начина-

ется с окисления молочной кислоты в ПВК, которая под влиянием мультиферментной системы подвергается декарбоксилированию с одновременным окислением уксусного альдегида в уксусную кислоту, которая превращается в ацетилкоэнзим А и окисляется до СО2 и Н2О в реакциях цикла трикарбоновых кислот (ЦТК).

Окислительное декарбоксилирование кетокислот

Уксусная кислота вначале активируется по схеме:

СН3СООН + КоА-SН + АТФ СН3СО-S-КоА + АМФ +Р-Р ацетил-КоА-синтетаза

Активная уксусная кислота (ацетилкоэнзим А) окисляется до СО2 и Н2О в цикле трикарбоновых кислот (ЦТК).

Схема цикла трикарбоновых кислот (ЦТК)

(КоА-SН, НАД)

84

Биологическое значение ЦТК:

1.При полном окислении молекулы уксусной кислоты образуется 12 АТФ.

2.Эти процессы окислительного фосфорилирования идут в основном в митохондриях.

3.Так окисляется уксусная кислота, которая образуется при распаде углеводов, липидов и белков.

4.Реакции ЦТК являются универсальными для животных, человека, растений и микроорганизмов.

5.α-кетоглютарат, янтарная кислота и ЩУК могут использоваться для синтеза глюкозы, аминокислот и жиров.

11.5.3. Пентозофосфатный путь (пентозный цикл)

Кроме реакций гликолиза в молочной и щитовидной железах, жировойткани, вэритроцитахинадпочечникахоткрытособыйпуть окисления глюкозы, причём в печени так окисляется ее до 30 %.

Схема процесса:

85

Биологическое значение пентозного цикла:

1.При окислении глюкозы часть энергии запасается в 38 молекулах АТФ.

2.Образовавшийся рибозо-5-фосфат участвует в синтезе РНК, а затем и ДНК.

3.Водород от НАДФ-Н2 используется для синтеза жирных кислот, втомчисленасыщенныхизненасыщенных, холестерина,

пуриновых и пиримидиновых оснований и других веществ.

Регуляция углеводного обмена. Содержание глюкозы в крови поддерживается на постоянном уровне нейрогуморальным путем (табл. 3). У новорожденных животных содержание глюкозы в кровивыше, чемувзрослых. Приэмоциональномвозбуждениивкрови быстро повышается содержание глюкозы. Гормон инсулин понижает содержание глюкозы, стимулирует синтез гликогена и окисление глюкозы в тканях. Повышает содержание глюкозы в крови ряд гормонов: адреналин и норадреналин, глюкагон, тироксин, гормон роста (соматотропный), гликокортикоиды (кортикостерон).

Вопросы для самоконтроля

1.Какова схема строения мукополисахаридов и их функции в организме животных?

2.Как происходит гидролиз поли- и дисахаридов в пищеварительном тракте? Напишите схему гидролиза целлюлозы у жвачных животных.

3.Что такое гликолиз и гликогенолиз? Напишите основную сопряженную реакцию гликолиза.

4.Каковы основные этапы окисления уксусной кислоты в цикле трикарбоновых кислот?

5.Что такое пентозофосфатный путь окисления глюкозы?

86

12. ХИМИЯ И ОБМЕН ЛИПИДОВ

Липиды – это группа неоднородных веществ, нерастворимых в воде, а в органических растворителях.

Функции липидов:

1)резервная (у свиней жиры составляют до 50 % массы тела);

2)энергетическая– приокислении1 гжиравыделяется39 кДж;

3)структурная – в ядрах, в нервной ткани и др.;

4)защитная – сердечная сумка, околопочечный жир;

5)терморегулирующая – жир в подкожной клетчатке (у тюленей, моржей);

6)внутренний источник воды – при окислении 100 г жира выделяется 107 г воды;

7)растворитель и носитель жирорастворимых витаминов.

По химическому строению липиды делят на группы:

1.Нейтральные жиры (триглицериды).

2.Высокомолекулярные жирные кислоты.

3.Фосфолипиды.

4.Цереброзиды.

5.Стерины и стериды.

6.Ганглиозиды.

7.Воски и воскообразные вещества.

12.1.ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИРОВ

(ТРИГЛИЦИРИДОВ)

Этосложныеэфирытрехатомногоспиртаглицеринаитрехвысших жирных кислот.

В состав жиров входят основные жирные кислоты – насыщенные: масляная (С3Н7СООН); лауриновая (С11Н23СООН); миристиновая (С13Н27СООН); пальмитиновая (С15Н31СООН); стеариновая (С17Н35СООН); лигноцериновая (С23Н47СООН); мелиссиновая (С27Н55СООН) иненасыщенные: пальмитолеиновая(С15Н29СООН); олеиновая (С17Н33СООН); линолевая (С17Н31СООН); линоленовая (С17Н29СООН); арахидоновая (С19Н27СООН) и др.

87

Константы жиров:

1.Температура плавления – зависит от содержания ненасыщенных кислот. Чем их больше, тем ниже температура плавления (жидкиежиры– масла). Например: подсолнечноемасло –21 °С, бараний жир +48 °С, сливочное масло +27 °С .

2.Йодное число – количество грамм йода, которое присоединяется к 100 г жира по месту двойных связей (подсолнечное масло – 130, бараний жир – 35).

3.Кислотное число – количество мг КОН, которое необходимо для нейтрализации свободных жирных кислот в 1 г жира. Природныежиры– этокомплексжировисвободных(неэстерифицированных) жирных кислот (НЭЖК).

4.Число омыления – количество мг КОН, которое необходимо для омыления 1 г жира. Соли жирных кислот – мыла (натриевые – твердые, калиевые – жидкие).

Обмен жиров. Переваривание их начинается в желудке под влиянием желудочной липазы, но только эмульгированных жиров, например молока. Основной гидролиз идет в тонком кишечнике, где жиры предварительно эмульгируются под действием желчных кислот и белков.

Желчныекислоты– этостерины, производныехолановойкислоты. Свободные желчные кислоты: холевая, дезоксихолевая, литохолевая. Они соединяются или с таурином, или с аминокислотой глицин, образуя парные желчные кислоты: таурохолевую, тауродезоксихолевую, тауролитохолевую, гликохолевую, гликодезоксихолевую, литохолевую.

NН2–СН2–СООН Глицин

NН2–СН2–СН2–SО2ОН Таурин

Функции желчных кислот: эмульгируют жиры, стимулируют выделение поджелудочного сока и активируют липазу. С высшими жирными кислотами (пальмитиновая, стеариновая) образуют растворимые в воде комплексы – холеиновые кислоты. После всасыванияэтоткомплексраспадается, ижелчныекислотывозвращаются в печень, а жирные кислоты используются в синтезе уже специфических жиров, которые отличаются от кормовых набором и соотношением жирных кислот.

Особенности переваривания жиров у жвачных. Уже в пред-

желудкахподдействиемлипазымикроорганизмовонираспадаются

88

на глицерин и жирные кислоты, которые идут на синтез микробного жира. Часть жирных кислот изменяется (удлиняются или укорачиваются), причем большая часть ненасыщенных, присоединив Н2 отНАДФ–Н2, превращается в насыщенные кислоты. В сычуге под влиянием HCl микроорганизмы погибают, и их жиры в тонком кишечнике гидролизуются, как и кормовые жиры.

Синтез и окислительный распад глицерина. Синтез его мо-

жетначинатьсясостадииобразования3-фосфоглицериновогоаль- дегидапригликолизе. Распадначинаетсясактивированияприучастии АТФ по схеме:

Глицерин + АТФ 3-фосфоглицерин + АДФ

Затем активный глицерин используется для синтеза жиров или окисляетсяв3-фосфоглицериновыйальдегид, которыйдалееокисляется, как и при гликолизе, но молочная кислота при этом не образуется, а ПВК при окислительном декарбоксилировании сразу превращается в уксусную кислоту.

Окислениежирныхкислот(ЖК). Идётвосновномвмитохон-

дриях, в ряде реакций, получивших название β-окисления (ЖК) по Ф. Кноопу. При этом образуется большое количество энергии, которая запасается в молекулах АТФ. Так, при окислении олеиновой кислоты клетки получают 146 молекул АТФ.

ЖК вначале активируются в цитоплазме при участии ацил- КоА-синтетазы, а затем окисляются.

Схема распада жирных кислот в тканях

(β-окисление по Кноопу) 1. Активирование жирной кислоты

89

90