Звягина Учебное пособие
.pdfДля транспорта восстановительных эквивалентов в форме НАДН2, образующихся в цитоплазме, например в гликолизе, в митохондриях имеются несколько челночных систем. В митохондриях млекопитающих чаще встречается челночный механизм, использующий пару малат-оксалоацетат. Основной функцией этого механизма является перенос восстановительных эквивалентов в составе малата. Малат, попадая в матрикс с участием переносчика, окисляется до оксалоацетата, под действием малатдегидрогеназы. Оксалоацетат транспортируется обратно в цитоплазму лишь после трансаминирования его в аспартат. В митохондриях поступивший НАДН2 попадает в дыхательную цепь.
Пентозо-фосфатный цикл (ПФЦ) окисления глюкозо-6- фосфата. Биологические функции этого процесса.
Доля ПФЦ в количественном превращении глюкозы в клетках обычно невелика (в большинстве клеток не более 10 %) и зависит от типа ткани и её функционального состояния. Ферменты ПФЦ локализованы в цитоплазме клеток. Превращение глюкозы по ПФЦ не требует присутствия кислорода.
Последовательность реакций ПФЦ разделяют на два этапа:
I. Окислительный этап. Превращение глюкозо-6-фосфата до рибулозо – 5 - фосфата называется окислительной фазой ПФЦ.
Реакции:
Глюкозо-6-фосфат
НАДФ+
Глюкозо-6-фосфат ДГ
НАДФН.Н+
6-фосфоглюконолактон
Лактоназа
6-фосфоглюконат
НАДФ+
6-фосфоглюконат ДГ НАДФН.Н+
СО2 Рибулозо-5-фосфат
Ксилулозо-5-фосфат Рибозо-5-фосфат
Рисунок 15. Схема окислительного этапа ПФЦ
91
При окислении молекулы глюкозы образуется 2 НАДФН.Н+ и ри- бозо-5-фосфат. В некоторых клетках катаболизм глюкозы на этом заканчивается.
Ключевые ферменты:
1)глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа — главный ключевой фер-
мент;
2)6-фосфоглюконатдегидрогеназа
II. Неокислительный этап. Фаза от рибулозо-5-фосфата до образования вновь глюкозо-6-фосфата называется неокислительной. В процессе неокислительного этапа ПФЦ 6 молекул рибозо - 5 - фосфата превращаются в 5 молекул глюкозо-6-фосфата с участием ферментов транскетолазы (кофермент-тиаминдифосфат) и трансальдолазы. При этом промежуточные метаболиты этого пути – фруктозо-6- фосфат и глицеральдегид-3-фосфат могут включаться в аэробный и анаэробный гликолиз.
Все реакции неокислительного этапа обратимы.
Суммарное уравнение ПФП:
3Глюкозо-6-фосфат + 6 НАДФ+ 2 Фруктозо-6-фосфат + 3СО2 + 6НАДФН.Н+ + глицеральдегид-3-фосфат
Биологические функции ПФЦ.
1.ПФЦ является основным источником НАДФН.Н+, который в клетках используется:
а) в реакциях восстановительного синтеза:
синтез жирных кислот;
биосинтез холестерола, стероидных гормонов, желчных кис-
лот;
б) в обезвреживании лекарственных веществ и ядов; в) как антиоксидант: используется на восстановление окислен-
ного глутатиона. Глутатион — важный антиоксидант клеток;
2.В ПФЦ образуется рибозо-5-фосфат, который используется для биосинтетических процессов:
биосинтеза мононуклеотидов (АМФ, ГМФ, УМФ, ЦМФ, ТМФ и др.);
синтеза нуклеиновых кислот (ДНК, РНК);
синтеза коферментов (НАД+, НАДФ+, ФАД, КоА-SН).
Ключевая роль глюкозо – 6 фосфата в метаболизме углеводов.
Глюкозо-6-фосфат может использоваться в клетке в различных реакциях, основными из которых являются: синтез гликогена, глико-
92
лиз и дальнейший распад до СО2 и Н2О или лактата, синтез пентоз. Распад глюкозы до конечных продуктов служит источником энергии для организма. Вместе с тем в процессе метаболизма глюкозо-6- фосфата образуются промежуточные продукты, используемые в дальнейшем для синтеза аминокислот, нуклеотидов, глицерина и жирных кислот. Таким образом, глюкозо-6-фосфат – не только субстрат для окисления, но и строительный материал для синтеза новых соединений.
I.Вопросы для самоподготовки:
1.Углеводы: классификация, строение, свойства и биологические функции.
2.Гликолиз, механизм, энергетический баланс, биологические функции и регуляция.
3.Распад гликогена (гликогенолиз), его связь с гликолизом.
4.Роль адреналина и глюкагона в регуляции мобилизации гликогена.
5.Синтез гликогена (гликогеногенез) и его регуляция.
6.Гликогенозы и агликогенозы.
7.Окисление внемитохондриального НАД·H2.
8.Энергетическая ценность аэробного превращения углеводов.
9.Пентозо-фосфатный путь: окислительный и неокислительный этапы, биологические функции.
10.Глюконеогенез, механизм, биологическое значение.
11.Глюкозо-лактатный цикл (цикл Кори) и глюкозо-аланиновый цикл, гликогенные аминокислоты.
12.Ключевая роль глюкозо – 6 фосфата в метаболизме углеводов.
93
II.Тестовые вопросы для самоконтроля:
1.Углеводы не выполняют … функцию
а) энергетическую – за счет окисления углеводов удовлетворяется примерно половина всей энергетической потребности человека
б) синтетическую – из углеводов в организме могут синтезироваться соединения других классов, в частности, липиды и некоторые аминокислоты
в) структурную - входят в состав разных компонентов клеток г) ферментативную – углеводы являются ферментами
2. К дисахаридам относится… а) глюкоза б) сахароза в) гликоген г) крахмал
3. α-1,4-гликозидные связи крахмала гидролизует … а) олиго-1,6-гликозидаза б) α-амилаза в) карбоксипептидаза г) эластаза
4. В результате аэробного распада глюкозы образуется … АТФ а) 2 б) 19 в) 38 г) 1
5. Анаэробный гликолиз протекает до образования … а) кислорода б) пирувата в) лактата
г) СО2 и Н2О 6. Гликогенозы – это заболевания, которые характеризуются …
а) накоплением в клетках гликогена б) отсутствием гликогена в клетках
в) накоплением галактитола в хрусталике г) повышением уровня галактозы в крови
7. Разрыв α 1,4 гликозидных связей при фосфоролизе гликогена катализирует …
а) олиго-1,6-гликозидаза б) гликогенфосфорилаза
94
в) фосфатаза г) деветвящий фермент
8.Формирование α -1,4 гликозидных связей в синтезе гликогена катализирует …
а) ветвящий фермент б) гликогенсинтаза
в) амило 1,4→1,6 трансгликозилаза г) гликогенфосфорилаза
9.Уровень глюкозы при краткосрочном голодании (менее суток) поддерживает…
а) распад гликогена в печени б) гликолиз в) пентозофосфатный цикл
г) синтез гликогена
10.Глюконеогенез – это …
а) путь обезвреживания NН3
б) наследственное заболевание, характеризующееся накоплением гликогена
в) распад гликогена г) образование глюкозы из неуглеводных источников
11.Единственно возможным путем образования АТФ в эритроцитах является …
а) гликолиз б) окислительное фосфорилирование
в) цикл Кребса г) фотосинтез
12.В пентозофосфатном цикле образуется НАДФН2 , который принимает участие в …
а) обезвреживание лекарств, ядов, аммиака б) синтезе кетоновых тел в) гликолизе
г) окисление жирных кислот
13.Биологической функцией пентозофофатного цикла не является … а) катаболическая – является путем распада углеводов б) энергетическая – при подключении его продуктов к гликоли-
зу образуется энергия в) анаболическая – связана с использованием НАДФН2 и рибо-
зо-5-фосфата в реакциях синтеза
95
г) водороддонорная – является основным генератором водорода для дыхательной цепи
14. В ходе пентозофосфатного цикла образуется …
а) ФАДН2 б) НАДН2 в) НАДФН2 г) АТФ
III. Контрольные задания для самостоятельной работы:
А. Решите следующие ситуационные задачи:
1.У голодающих животных и человека содержание гликогена в печени снижается очень быстро, а концентрация глюкозы в крови длительное время сохраняется на уровне, близком к нижней границе нормы. Объясните причину этого явления?
2.Больной не переносит молока: после его приема у него сразу же возникает диарея. Что бы Вы порекомендовали пациенту из предложенного перечня:
-обезжиренная диета
-диета с низким содержанием лактозы
-частое и регулярное питание
На чем основано Ваше решение?
3. Обсудите возможную ситуацию: в больницу доставлен человек без сознания с признаками алкогольного отравления. Было проведено лабораторное исследование крови на содержание алкоголя, глюкозы, лактата. Предположите характер возможных изменений концентрации этих показателей крови и их причины.
Б. Рассчитайте энергетическую ценность фруктозы двумя возможными путями.
В. Напишите схему превращения этанола в организме человека и рассчитайте его энергетическую ценность.
Частный модуль 1.6. Обмен липидов.
После изучения частного модуля 1.6. студент должен:
Знать: важнейшие липиды тканей человека. Биосинтез жирных кислот, -окисление жирных кислот. Регуляцию метаболизма жирных кислот. Биосинтез и использование кетоновых тел в качестве источников энергии. Основные фосфолипиды и гликолипиды тканей человека, их функции. Биосинтез холестерина, регуляцию, биологическую роль, транспорт холестерина и его нарушения.
96
Уметь: объяснять биохимические основы развития и лечения атеросклероза; механизм возникновения желчно-каменной болезни (холестериновые камни) и применение хенодезоксихолевой кислоты для лечения желчно-каменной болезни; самостоятельно находить достаточное количество информации для решения ситуационных задач.
Владеть: навыками расчета энергетической ценности жирных кислот и глицерина.
Общая характеристика и классификация липидов, основные
биологические функции липидов. Характеристика важнейших представителей одно- и многокомпонентных липидов.
Липиды – это группа разнообразных по химическому строению веществ, растворимых в неполярных растворителях (эфире, хлороформе, бензоле) и относительно нерастворимых в воде. Они широко распространены в природе и являются важной частью пищи. Суточная потребность в пищевых липидах составляет 80 – 100 г., из них не менее 20 -25 г должно поступать растительных липидов, содержащих ненасыщенные жирные кислоты. С липидами пищи поступают также незаменимые для организма жирорастворимые витамины и витаминоподобные соединения.
Биологические функции липидов.
1.Структурная. Входят в состав клеточных мембран, образуя их липидную основу (фосфолипиды, холестерин).
2.Гормональная (кальцитриол, кортикостероиды).
3.Витаминная (витамины Д3 и F).
4.Транспортная. Участвуют в транспорте веществ через липидный слой биомембран.
5.Субстратно-энергетическая. При окислении липидов в организме выделяется большое количество энергии (триацилглицерины).
6.Механическая. Липиды соединительной ткани предохраняют органы от повреждений при механических внешних воздействиях.
7.Теплоизолирующая. Липиды подкожно-жирового слоя сохраняют теплоту благодаря их низкой теплопроводности.
В зависимости от химического состава липиды подразделяются на:
I.Простые липиды. К ним относятся триацилглицерины (нейтральные жиры), эфиры холестерина, воска.
97
Природные жиры, как правило, представляют собой смесь триацилглицеринов (ТАГ), в молекулах которых все три сложноэфирные связи образованы разными жирными кислотами.
СН2 – О – СО – R1
СН – О – СО – R2
СН2 – О – СО – R3
Триацилглицерины – основные компоненты адипоцитов жировой ткани, являющиеся депо нейтральных жиров в организме человека и животных.
II. Сложные липиды – это сложные эфиры спиртов, жирных кислот и других компонентов. Они делятся на классы:
1)Фосфолипиды
2)Гликолипиды
3)Сульфолипиды и др.
Фосфолипиды – это сложные липиды, содержащие спирт, жирные кислоты, остаток фосфорной кислоты и азотистые основания. Фосфолипиды делятся на: глицерофосфатиды, которые образованы глицерином, двумя остатками жирных кислот, фосфорной кислотой и различными азотистыми основаниями, например, фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилинозитол и сфинголипиды. Представителями сфинголипидов являются сфингомиелины, молекулы которых не содержат глицерина и при их гидролизе образуются жирная кислота, фосфорная кислота, холин и высший двухатомный спирт сфингозин. Сфингомиелины в больших количествах встречаются в нервной ткани.
Гликолипиды делят на две группы: 1) цереброзиды, 2) ганглиозиды. В
состав цереброзидов входят высший ненасыщенный спирт сфингозин, жирные кислоты и галактоза. Ганглиозиды дополнительно содержат ацетилнейраминовую кислоту и глюкозу. Гликолипиды содержатся в мембранах клеток нервной ткани.
III. Предшественники и производные липидов. Жирные кислоты, глицерин, стероиды, жирорастворимые витамины, холестерин, простациклины, простагландины, тромбоксаны.
Жирные кислоты содержат от 4 до 24 атомов углерода, в организме человека содержатся жирные кислоты с четным числом углеродных атомов:16, 18 или 20. Жирные кислоты могут быть насыщен-
98
ными (не содержат двойных связей) и ненасыщенными (содержат одну или несколько двойных связей). Наиболее часто в организме человека встречаются
А) насыщенные – пальмитиновая С16:0; стеариновая С18:0. Б) ненасыщенные – олеиновая С18:1; линолевая С18:2;
линоленовая С18:3; арахидоновая С20:4. Незаменимыми (эссенциальными) называются жирные кислоты,
которые не синтезируются в организме и поступают в основном в составе растительных масел.
Основная масса стеринов в организме человека представлена холестерином циклическим спиртом, содержащим 27 атомов углерода и способным образовывать с жирными кислотами эфиры. Холестерин содержится в желчи, в плазме крови (N 3,9-5,5 ммоль/л), входит в состав клеточных мембран, является предшественником для образования: желчных кислот, стероидных гормонов, витамина Д3.
Внутриклеточный гидролиз липидов. Химизм окисления глицерина и жирных кислот. Расчет энергетической ценности жирных кислот и глицерина. Особенности окисления ненасыщенных и жирных кислот с нечетным числом углеродных атомов.
Гидролиз триацилглицеринов в тканях осуществляется тканевой триацилглицеринлипазой, которая гидролизует их на глицерин и свободные жирные кислоты. Этот процесс называется также тканевым липолизом и контролируется гормонами.
Фосфоглицерины клеточных мембран гидролизуются с помощью фосфолипаз А1, А2, С, D. Продуктами гидролиза являются глицерин, жирные кислоты, азотистые спирты, неорганический фосфат.
Окисление глицерина.
Глицерин при участии глицеролкиназы превращается в α- глицеролфосфат, и далее под действием α - глицеролфосфатдегидрогеназы переходит в дигидроксиацетонфосфат, который является промежуточным продуктом гликолиза и может включаться в гликолиз.
99
Итого: |
21 АТФ |
Так как окисление глицерина протекает в цитозоле клетки, то образующийся НАДН2 должен транспортироваться в митохондрии с помощью специальных транспортных систем – челночных циклов. НАДН2* образующийся в реакции синтеза дигидроксиацетонфосфата поступает в митохондрии с помощью глицерофосфатного челночного цикла, в результате работы которого электроны и протоны передаются на ФАД-зависимый митохондриальный фермент глицеролфосфатдегидрогеназу и в итоге образуется ФАДН2, который поступает в дыхательную цепь и используется для получения энергии. Таким образом, в результате действий челнока цитозольный НАДН2 как бы "превращается" в митохондриальный ФАДН2. Вторая молекула НАДН2 транспортируется с помощью малатаспартатного челночного цикла (см. обмен углеводов) и при этом образуется 3 молекулы АТФ. Пируват попадает в пируватдегидрогеназный комплекс, который функционирует в митохондриях, поэтому для образующегося там НАДН2 специальных транспортных систем не требуется. Таким образом, при аэробном окислении глицерина образуется 21 АТФ.
100