биохимия краткий курс часть 1

НАДН на кислород, при котором на каждом этапе происходит освобождение энергии.

Дегидрогеназы, отщепляющие атомы водорода от субстратов, делятся на НАД-зависимые и ФАД-зависимые. При участии НАД+-зависимых дегидрогеназ окисляются пируват, изоцитрат, α-кетоглутарат, малат, лактат и др. При участии ФАД-зависимых дегидрогеназ окисляются сукцинат, ацилКоА, α-глицерофосфат.

Работа ДЦ по транспорту электронов на кислород представляет собой совокупность окислительно-восстановительных реакций, в которых каждый переносчик способен как окисляться, так и восстанавливаться. Так НАД+ присоединяет водород от субстратов и превращается в восстановленную форму

– НАДН, который отдает атомы водорода на следующий переносчик – ФМН.

При этом НАДН окисляется, а ФМН восстанавливается.

НАДН + Н+ + ФМН  НАД+ + ФМНН2 и т. д.

Атомы Н, отщепляемые при участии ФАД-зависимых дегидрогеназ, поступают в ДЦ на уровне коэнзимаQ (КоQ, убихинона). До КоQ по дыхательной цепи одновременно передаются протоны и электроны водорода. Далее по системе цитохромов передаются только электроны. Цитохромы

содержат гем, железо в котором может изменять свою валентность:

е +Fе3+Fе2+; Fe2+ - e Fe3+

Цитохром а, или цитохромоксидаза, передает электроны непосредственно на кислород, при этом цитохром а окисляется, а кислород, приняв 2 электрона, становится дважды отрицательно заряженным (О2-). Такой кислород взаимодействует с двумя протонами, отщепившимися на уровне КoQ, что приводит к образованию эндогенной воды. Но ДЦ работает не ради эндогенной воды, она работает ради освобождения энергии. В ДЦ освобождается энергия электронов водорода при переходе их с одного переносчика на другой. Около 60% энергии освобождается в виде тепла, а на тех участках, где значительный перепад редокс-потенциала и величина освобождаемой энергии составляет не менее 7,3 ккал, ее оказывается достаточно для синтеза АТФ. В виде АТФ в ДЦ аккумулируется 40% энергии. Участки, где в ДЦ происходит синтез АТФ, называются участками сопряжения. При этом происходит сопряжение (взаимосвязь) между окислением (т.е. переносом электронов по цепи переносчиков на кислород) и фосфорилированием АДФ до АТФ. Таких участков в ДЦ три:

Между ФМН и КоQ.

Между цитохромом в и с1.

Между цитохромом а и кислородом.

Если субстрат окисляется ФАД-зависимыми дегидрогеназами и атомы водорода вводятся в ДЦ на уровне КоQ, то в таком случае в ДЦ имеется два участка сопряжения: между цитохромом в и с1 и между цитохромом а и О. Результатом сопряжения в ДЦ является окислительное фосфорилирование (ОФ). ОФ – это синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата (Н3РО4) за счет

31

энергии, освобождаемой при работе ДЦ. Количественно работу ДЦ оценивают по коэффициенту окислительного фосфорилирования Р/О. Коэффициент Р/О – это отношение числа молекул АТФ, образовавшихся в ДЦ, в расчете на один атом поглощенного кислорода. Если субстрат окисляется НАД+-зависимой дегидрогеназой, то Р/О равен 2,5, если ФАД-зависимой – то 1,5.

АТФ в клетке образуется из АДФ и неорганического фосфата. Для присоединения фосфата необходима энергия:

АДФ + Н3РО4  АТФ

В зависимости от того, какая энергия используется для синтеза АТФ, различают субстратное (СФ) и окислительное фосфорилирование (ОФ). В первом случае для синтеза АТФ используется энергия, возникшая при окислении субстрата, для него не нужна мембрана и при этом образуется мало АТФ. СФ протекает в два этапа:

1.Образование первичного макроэрга (сукцинил-КоА в цикле Кребса, 1,3-бисфосфоглицерата и фосфоенолпирувата в гликолизе)

2.Образование вторичного макроэрга – АТФ.

ОФ происходит только в митохондриях и для него необходима мембрана, при этом образуется большое количество АТФ. Для синтеза АТФ в ДЦ используется энергия электрохимического потенциала водорода (∆µН+), который возникает за счет выброса протонов из внутренней мембраны митохондрий в межмембранное пространство. Обратный процесс переноса протонов в матрикс через протонные каналы сопровождается освобождением энергии. Эту энергию и использует АТФ-синтаза для синтеза АТФ.

Полное окисление ацетил-КоА до СО2 и воды (т.е. в цикле Кребса и ДЦ) дает 10 АТФ, а полное окисление пирувата – 12,5 АТФ ( в окислении пирувата участвуют 4 НАД+-зависимых дегидрогеназы, что дает 4х2.5=10 АТФ, 1 ФАДзависимая дегидрогеназа, что дает 1,5 АТФ и 1 АТФ образуется субстратным фосфорилированием в цикле Кребса. В окислении ацетил-КоА принимает участие на одну НАД+-зависимую дегидрогеназу меньше).

Регуляция ДЦ. Скорость использования АТФ регулирует скорость потока электронов по ДЦ. Если АТФ не используется и его концентрация в клетке возрастает, то прекращается поток электронов к кислороду, т. е. работа ДЦ замедляется. И наоборот, расход АТФ и накопление АДФ увеличивает окисление субстратов и потребление кислорода, т. е. работу ДЦ. Зависимость интенсивности дыхания митохондрий от концентрации АДФ называют дыхательным контролем. Кроме того, работу ДЦ усиливают катехоламины, глюкагон и йодтиронины.

Разобщение в ДЦ. Некоторые химические вещества могут переносить протоны из межмембранного пространства через мембрану вматрикс, минуя протонные каналы. В результате этого снижается электрохимический потенциал и снижается синтез АТФ. Это явление называют разобщением окисления и фосфорилирования. В результате разобщения количество АТФ снижается, а, следовательно, будут страдать все процессы, требующие энергии АТФ (клинически проявляется слабостью, снижением работоспособности, повышением теплопродукции).В этом случае окисление НАДН и

32

ФАДН2возрастает, возрастает и количество поглощенного кислорода, но большая часть энергии выделяется в виде тепла (может повышаться температура тела) и коэффициент Р/О снижается: становится меньше 2,5 или 1,5 для НАД+- и ФАД-зависимых дегидрогеназ соответственно. Вещества, вызывающие разобщение, называются разобщителями. Физиологическими разобщителями являются жирные кислоты в буром жире. Кроме того, разобщение вызывают большие дозы йодтиронинов, токсические вещества, например, 2,4-динитрофенол; а также некоторые бактериальные токсины, например, дифтерийный. Разобщение окисления и фосфорилирования может быть биологически полезным. Оно позволяет генерировать тепло для поддержания постоянной температуры тела у новорожденных, у зимнеспящих животных и в процессе адаптации к холоду.

3.3. СВОБОДНОЕ ОКИСЛЕНИЕ: ФУНКЦИИ, ОКСИДАТИВНАЯ МОДИФИКАЦИЯ

Большая часть кислорода, потребляемого организмом, восстанавливается на терминальном участке ДЦ в результате присоединения 4-х электронов. Некоторая часть кислорода используется в реакциях свободного (не фосфорилирующего) окисления, катализируемых оксидазами, оксигеназами (эти реакции необходимы при синтезе желчных кислот, гормонов, обезвреживании ксенобиотиков), а также одновременно является токсическим веществом, в случае, если из него образуются активные формы кислорода (АФК). АФК образуются в результате неполного поэтапного восстановления кислорода (в результате присоединения менее 4-х электронов). При одноэлектронном восстановлении кислород превращается в супероксид. При двухэлектронном восстановлении – в пероксид водорода, при трехэлектронном

– в гидроксильный радикал (самая токсичная форма). Вещества, усиливающие образование активных форм кислорода, называют прооксидантами. Ими являются: кислород, особенно гипербарический и потребляемый в огромных количествах при активации нейтрофилов и макрофагов; витамин Д и большие дозы витамина А, излучения (ультрафиолет и ионизирующее), ксенобиотики (том числе и лекарства), металлы с переменной валентностью (железо, медь). Образовавшиеся активные формы кислорода воздействуют на липиды, нуклеиновые кислоты, белки, вызывая их оксидативную модификацию, результатом которой является образование в перечисленных субстратах органических перекисей – ROOH. Оксидативная модификация молекул имеет как патологические, так и физиологические стороны.

Патологическими эффектами оксидативной модификации являются:

1.Мутации, возникающие при повреждении ДНК.

2.Нарушения функций белков, возникающие при их повреждении, что вызывает патологию мембран.

3.Повреждение липидов, также приводящее к патологии мембран.

4.Апоптоз (программируемая гибель клеток), например, гибель нейронов,

вырабатывающих дофамин, при паркинсонизме

33

5. В результате всех процессов происходит повреждение и гибель клеток. Все эти процессы могут привести к хроническому и избыточному

воспалению, канцерогенезу, атеросклерозу, старению и др. Физиологическими эффектами оксидативной модификации являются:

1.Функционирование нейтрофилов и макрофагов, приводящее к завершению фагоцитоза.

2.Синтез эйкозаноидов – гормонов, производных полиненасыщенных жирных кислот.

3.Апоптоз, например, гибель раковых клеток.

В организме существует эффективная система защиты – антиоксидативная система, она состоит из низкомолекулярных веществ (антиоксидантов) и ферментов. Низкомолекулярными антиоксидантами являются: трипептидглутатион, витамины С, Е, малые дозы витамина А, каротины – провитамины А, ликопин, билирубин, ураты.

К ферментам, защищающим клетки от активных форм кислорода, относят супероксиддисмутазу, каталазу, глутатионпероксидазу. Органические перекиси разрушают глутатионпероксидаза и глутатионтрансфераза, при этом органические перекиси превращаются в спирты. Глутатионтрансфераза также может связывать токсические вещества – продукты перекисного окисления, например, альдегиды.

Супероксиддисмутаза превращает супероксид в менее токсичную перекись водорода. Перекись водорода может разрушаться ферментом каталазой до кислорода и воды. Глутатионпероксидаза – важнейший фермент, так как он разрушает как пероксид водорода, так и органические перекиси. Он катализирует восстановление пероксидов с помощью глутатиона. Сульфгидрильная группа глутатиона (GSH) служит донором электронов, и, окисляясь, образует дисульфидную форму окисленногоглутатиона, в которой 2 молекулы глутатиона связаны через дисульфидную группу

Н2О2 + 2 GSH 2Н2О + GSSG

Окисленный глутатион восстанавливается глутатионредуктазой:

GSSG + НАДФН + Н+ 2 GSH + НАДФ+

3.4. ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ

Выбрать один правильный ответ

31.НА ПЕРВОМ ЭТАПЕ КАТАБОЛИЗМА ПРОИСХОДИТ

1)превращение полимеров в мономеры

2)превращение мономеров в полимеры

3)гликолиз

4)β-окисление жирных кислот

32.НАИБОЛЬШЕЕ КОЛИЧЕСТВО ЭНЕРГИИ ОСВОБОЖДАЕТСЯНА

34

ЭТАПЕ КАТАБОЛИЗМА

1)первом

2)втором 3)третьем

33.ГЛАВНЫМ ПОСТАВЩИКОМ АТОМОВ ВОДОРОДА ДЛЯ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ СЛУЖИТ

1)гликолиз

2)β-окисление

3)цикл Кребса

4)окисление глицерина

34.ПОТОК ПРОТОНОВ И ЭЛЕКТРОНОВ В ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ РАСХОДИТСЯ НА УРОВНЕ

1)ФМН

2)цитохрома с

3)цитохрома в

4)убихинона (Q)

35.В ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ ЭНЕРГИЯ ВЫДЕЛЯЕТСЯ В ВИДЕ

1)только тепла

2)только АТФ

3)тепла и АТФ

36.ПОСЛЕДСТВИЯМИ РАЗОБЩЕНИЯ ЯВЛЯЮТСЯ

1)снижение теплопродукции

2)увеличение работоспособности

3)увеличение теплопродукции

4)снижение температуры тела

37.В РОЛИ РАЗОБЩИТЕЛЕЙ В ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ МОГУТ ВЫСТУПАТЬ

1)АТФ

2)жирные кислоты бурого жира

3)инсулин

4)глюкоза

38.АЭРОБНЫМИ ТКАНЯМИ ЯВЛЯЮТСЯ

1)тонкий кишечник

2)ткани конечности

3)эритроциты

4)периферические нервы

39.ПРООКСИДАНТАМИ ЯВЛЯЮТСЯ

1)витамин С

2)витамин Е

35

3)большие дозы витамина А

4)малые дозы витамина А

40.УВЕЛИЧИВАЮТ ОБРАЗОВАНИЕ АКТИВНЫХ ФОРМ КИСЛОРОДА

1)прооксиданты

2)разобщители ДЦ

3)антиоксиданты

4)ингибиторы ДЦ

41.АНТИОКСИДАНТАМИ ЯВЛЯЮТСЯ

1)большие дозы витамина А

2)витамин С

3)витамин Д

4)излучения

42.ПЕРЕНОС ЭЛЕКТРОНОВ НА КИСЛОРОД ОСУЩЕСТВЛЯЮТ ФЕРМЕНТЫ

1)оксидазы

2)дегидрогеназы

3)редуктазы

4)оксигеназы

43.ОДНИМ ИЗ ГЛАВНЫХ МЕТАБОЛИТОВ ВТОРОГО ЭТАПА КАТАБОЛИЗМА ЯВЛЯЕТСЯ ПИРУВАТ, КОТОРЫЙ МОЖЕТ БЫТЬ ОБРАЗОВАН

1)из жирных кислот

2)из аминокислот

44.ЦИТРАТ КАК РЕГУЛЯТОР

1)активирует гликолиз

2)ингибирует синтез жирных кислот

3)активирует синтез жирных кислот

45.АТФ В ЦИКЛЕ КРЕБСА ОБРАЗУЕТСЯ ПУТЕМФОСФОРИЛИРОВАНИЯ

1)окислительного

2)субстратного

3)фотосинтетического

4.ОБМЕН УГЛЕВОДОВ

4.1.ПЕРЕВАРИВАНИЕ И ВСАСЫВАНИЕ

При калорийности рациона 2000–3000 ккал суточное потребление углеводов составляет 300–450г. С пищей поступает крахмал, сахароза, лактоза, пищевые волокна (клетчатка и др.). Переваривание углеводов начинается в

36

ротовой полости при участии α-амилазы слюны, которая расщепляет в крахмале α-1,4-гликозидные связи. Полное расщепление крахмала здесь не происходит, так как пребывание пищи во рту кратковременно. Из крахмала в ротовой полости образуются крупные фрагменты – декстрины. Желудочный сок не содержит ферментов, расщепляющих углеводы. Дальнейшее переваривание углеводов происходит в тонком кишечнике. Фермент поджелудочной железы α-амилаза расщепляет α-1,4-гликозидные связи крахмала и декстринов, α-1,6-гликозидные связи расщепляются ферментом кишечного сока – амило-1,6-гликозидазой. При действии двух ферментов образуется дисахарид мальтоза. Амилаза поджелудочной железы не расщепляет β-1.4-гликозидные связи, которыми соединены остатки глюкозы в молекуле целлюлозы. Поэтому пищевые волокна не перевариваются, но они должны присутствовать в рационе, так как улучшают перистальтику, ускоряют чувство насыщения и снижают уровень холестерина в крови, поскольку на них происходит адсорбция желчных кислот и выведение их из организма. Пищевые волокна обязательно должны присутствовать в рационе при ожирении, запорах, атеросклерозе, сахарном диабете. Мальтоза, образовавшаяся из крахмала, а также дисахариды пищи – сахароза и лактоза перевариваются ферментами тонкого кишечника – дисахаридазами. Эти ферменты работают не в просвете кишечника, а на поверхности эпителиальных клеток кишечника. Мальтоза расщепляется мальтазой до 2 молекул глюкозы, лактоза – лактазой до глюкозы и галактозы, сахароза – сахаразой до глюкозы и фруктозы (рис. 3). Все моносахариды всасываются, сначала путем облегченной диффузии, а затем активным транспортом в симпорте с ионами Nа+.

Рис.3. Катаболизм дисахаридов и патогенез дисахаридозов

Вкрови воротной вены содержатся три моносахарида: глюкоза, фруктоза

игалактоза. Все они попадают в печень, где происходит унификация фруктозы

игалактозы, т.е. они превращаются в глюкозу – единственный моносахарид, используемый всеми клетками нашего организма.

37

Дисахаридозы – нарушение переваривания дисахаридов, связанные с недостаточной активностью дисахаридаз. Недостаточная активность ферментов может быть врожденной и приобретенной. Симптомы врожденных форм проявляются достаточно рано, например, после первого кормления грудным молоком (при дефиците лактазы) или при добавлении в рацион сахара или крахмала. Приобретенные формы могут наблюдаться при заболеваниях кишечника. Нерасщепленные дисахариды вызывают осмотическую диарею, сбраживаются микрофлорой кишечника с образованием углекислого газа, что приводит к метеоризму, коликам. В крови отмечается гипогликемия, у детей обычно снижается масса тела.

4.2. ОБМЕН ГЛИКОГЕНА

Многие ткани в качестве резервной формы глюкозы синтезируют гликоген. Синтез и распад гликогена обеспечивают постоянство концентрации глюкозы в крови. Синтез гликогена происходит в покое и сытости, как любой анаболический процесс требует энергии. Депонируется гликоген главным образом в печени и мышцах. Глюкоза, поступившая в клетку, фосфорилируется при участии гексокиназы за счет АТФ, при этом образуется глюкозо-6-фосфат,

Глюкозо-1-фосфат + УТФ < = > УДФ-глюкоза + Пирофосфат

Приводим структурную формулу УДФ-глюкозы:

38

Рис.4. Синтез гликогена

который в ходе обратимой реакции под действием фосфоглюкомутазы превращается в глюкозо-1-фосфат (рис. 4). Затем при участии УТФ глюкозо-1- фосфат превращается в УДФ-глюкозу. Эта молекула используется как донор остатков глюкозы при синтезе гликогена.

Так как гликоген в клетке никогда не расщепляется полностью, синтез гликогена осуществляется путем удлинения уже имеющейся молекулы полисахарида, называемой «затравка». К «затравке» последовательно присоединяются остатки глюкозы из УДФ-глюкозы α- 1,4-гликозидной связью при участии фермента гликогенсинтазы. Разветвленная структура гликогена образуется при участии «фермента ветвления».

Регуляторными ферментами в синтезе гликогена являются гликогенсинтаза и гексокиназа. Синтез гликогена увеличивается под влиянием инсулина, а тормозится глюкагоном, катехоламинами, глюкокортикостероидами.

Распад гликогена происходит путем последовательного отщепления остатков глюкозы в виде глюкозо-1-фосфата. Гликозидная связь расщепляется с присоединением неорганического фосфата, поэтому процесс называется фосфоролизом, а фермент – фосфорилазой. Образовавшийся глюкозо-1-фосфат затем изомеризуетсяфосфоглюкомутазой до глюкозо-6-фосфата. В печени (но не в мышцах) глюкозо-6-фосфат может гидролизоваться с образованием глюкозы, которая выделяется в кровь. Эту реакцию катализирует глюкозо-6- фосфатаза. Мышечный гликоген не используется для поддержания уровня глюкозы в крови, так как в мышцах нет фермента глюкозо-6-фосфатазы и образование свободной глюкозы там невозможно, а глюкозо-6-фосфат не может проникать через мембрану клеток. Таким образом, печень запасает глюкозу в виде гликогена не столько для собственных нужд, сколько для поддержания постоянной концентрации глюкозы в крови. Функция мышечного гликогена

39

заключается в освобождении глюкозо-6-фосфата, потребляемого в самой мышце для окисления и использования энергии.

Рис.5. Обмен гликогена в печени

Регуляторными ферментами распада гликогена являются фосфорилаза и глюкозо-6-фосфатаза (рис. 5). Процесс распада усиливают катехоламины, глюкагон, глюкокортикостероиды; тормозит инсулин.

4.3. РАСПАД ГЛЮКОЗЫ В АЭРОБНЫХ И АНАЭРОБНЫХ УСЛОВИЯХ

Катаболизм глюкозы – основной поставщик энергии для большинства клеток организма.

Аэробный распад протекает в условиях достаточного снабжения тканей кислородом. Он включает несколько стадий:

1.Аэробный распад глюкозы до двух молекул пирувата в гиалоплазмеклеток,который можно разделить на 2 этапа: а)подготовительный этап, в ходе которого глюкозафосфорилируется и расщепляется на две молекулы фосфотриоз.

б) основной этап, сопряженный с синтезом АТФ. В результате серии реакций фосфотриозы превращаются в пируват.

2.Превращение пирувата в ацетил-КоА и окисление последнего в цикле Кребса

3.Дыхательная цепь

Глюкозо-6-фосфат, образованный в результате фосфорилирования глюкозы с участием АТФ, в ходе следующей реакции превращается в фруктозо-6-фосфат. Это обратимая реакция изомеризации протекает при участии глюкозофосфатизомеразы.

40