Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Литература / Биологическая Химия Северин 2008

.pdf
Скачиваний:
28411
Добавлен:
17.06.2017
Размер:
6.06 Mб
Скачать

Раздел 7. Общий путь катаболизма

131

Главные продукты реакций ПДК — это NADH + H+ и ацетил-КоА. NADH + H+ далее окисляется в дыхательной цепи, где энергия используется на синтез 3 моль АТФ, а ацетил-КоА окисляется в цитратном цикле. Пируватдекарбоксилазный комплекс находится на внутренней мембране митохондрий и соединен с ней со стороны матрикса.

На рис. 7.3, 7.4, 7.5 представлено строение коферментов ПДК.

NH2

N

CH2

+

CH3

 

O

O

 

 

N

 

 

H3C

N

*

CH2

CH2 O

P O

P

OH

S

 

OH

OH

 

 

 

 

 

 

активный атом углерода

 

 

 

 

 

Рис. 7.3. Строение тиаминдифосфата

 

 

S

S

 

 

H

 

NH

 

 

CH2 CH2 CH2 CH2

C N

(CH2)4

CH

 

CH2

 

 

O

 

C

O

 

 

 

 

 

 

дегидролипоевая кислота

 

 

 

 

 

 

 

 

 

лизин

 

 

Рис. 7.4. Строение липоильного остатка в составе дигидролипоил-

трансацетилазы

7.2. Цитратный цикл

Цитратный цикл (цикл Кребса, цикл трикарбоновых кислот) — это система реакций, приводящая к полному окислению двухуглеродного ацетильного остатка, который мог образоваться в различных метаболических путях. Цитратный цикл является общим конечным путем окисления белков, жиров и углеводов. Все реакции цитратного цикла, как и окислительного декарбоксилирования пирувата, локализованы в митохондриях. В ходе одного полного цикла происходит:

132

Биологическая химия

тиоэтаноламин

HS CH2 CH2 NH C O

CH2

 

 

 

 

 

CH2

 

 

 

NH2

 

NH

 

 

 

 

 

 

 

 

N

C O

 

 

N

 

 

 

 

 

HO CH

 

 

 

N

N

 

 

 

 

H3C C CH3

O

O

 

 

 

 

 

CH2 O

P O

P

O CH2

O

 

 

OH

OH

H

 

H

пантотеновая

 

 

H

 

H

кислота

 

 

O

 

OH

 

 

 

 

 

 

 

HO P

O

 

 

 

 

OH

 

 

аденозин

Рис. 7.5. Строение HS-KoA

полное окисление ацетильного остатка до двух молекул СО2;

образование трех молекул восстановленного NADH + H+ и одной молекулы FADH2;

синтез одной молекулы ГТФ в результате субстратного фосфорилирования.

Реакции цитратного цикла, ферменты и их характеристика приведены на рис. 7.6.

Сопряжение общих путей катаболизма с дыхательной цепью

В общих путях катаболизма происходит пять реакций дегидрирования: одна на стадии окислительного декарбоксилирования пирувата и четыре в цитратном цикле. Все 10 атомов водорода переносятся на коферменты дегидрогеназ, которые, в свою очередь, окисляются в дыхательной цепи. Окисленные коферменты возвращаются в реакции общих путей катаболизма. Регенерация коферментов — это обязательное условие для протекания реакции дегидрирования. Таким образом, общий путь катаболизма и дыхательная цепь неразрывно связаны между собой и отдельно функционировать не могут.

Раздел 7. Общий путь катаболизма

 

 

 

 

 

 

 

 

133

 

 

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CH3C

SKoA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ацетил-КоА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

COO-

 

 

КоАSH

COO-

 

 

 

 

 

 

 

 

C O

1

 

 

 

 

 

 

 

Малат-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CH2

 

H2O Цитратсинтаза

 

CH2

 

 

 

 

 

 

дегидрогеназа

 

HO

 

 

 

 

 

 

 

 

COO

-

 

 

 

C COO-

 

 

 

 

 

 

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

COO-

Оксалоацетет

 

 

 

CH2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аконитаза

 

HO

CH

 

 

 

 

 

 

 

COO-

2

 

 

 

NAD+

NADH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CH2

 

 

 

Цитрат

 

 

COO

-

 

 

+ H+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

COO-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CH2

 

 

Малат

 

 

 

 

I

 

 

 

H

C

COO-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

 

 

 

 

 

Q

 

 

 

HO

C

H

Фумараза

H2O

 

ATФ

 

III

 

 

 

 

 

COO-

 

COO-

 

 

 

 

C

 

 

 

 

Изоцитрат

 

CH

 

 

 

 

IV

 

 

 

NAD+

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CH

 

 

 

 

H O O2

NADH + H+

 

 

 

CO2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

COO-

 

 

 

 

ЦПЭ

 

 

 

 

 

 

Изоцитрат-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

COO-

 

 

Фумарат

FADH2

 

 

 

 

 

 

 

дегидрогеназа

 

 

 

 

 

 

 

 

CH2

 

 

 

 

 

 

 

COO-

 

 

 

NADH

 

 

 

 

 

 

 

6

FAD

 

 

 

+

 

 

CH2

 

 

 

 

Сукцинат-

CH2

 

 

 

+ H

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C O

 

 

 

дегидрогеназа

 

 

COO-

 

NAD+

4

 

 

 

CH2

 

 

 

COO

-

 

 

 

 

 

 

КоАSH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

COO-

 

5

CH2

 

 

-Кетоглутарат

 

 

 

 

 

 

CH2

 

 

CO2

 

 

 

 

 

 

Сукцинат

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сукцинат-

 

ГДФ C O

КоАSH

 

-Кетоглутарат-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ Pi

SKoA

 

 

 

дегидрогеназа

 

 

тиокиназа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГТФ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сукцинил - KoA

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 7.6. Схема цитратного цикла:

I, III, IV — ферментативные комплексы в ЦПЭ; Q — кофермент Q; C — цитохром С

Значение общих путей катаболизма в энергетическом обмене

За один оборот цитратного цикла синтезируется 12 молекул АТФ (рис. 7.6). Девять из них образуются за счет энергии транспорта электронов в дыхательной цепи от трех молекул NADH + H+. Две молекулы АТФ синтезируются при окислении 1 молекулы FADH2, так как в дыхательной цепи в данном случае действуют только два пункта сопряжения ЦПЭ с окислительным фосфорилированием AДФ. Кроме того, в цитратном цикле происходит одна реакция субстратного фосфорилирования (реакция 5), дающая 1 моль ГТФ (АТФ).

134

Биологическая химия

В общих путях катаболизма синтезируется 15 молекул АТФ. Три из них при окислительном декарбоксилировании пирувата и 12 — в цитратном цикле.

7.3. Регуляция общих путей катаболизма

Главным фактором, регулирующим скорость дыхания и фосфорилирования,

является потребность организма в энергии. Синтез АТФ осуществляется в ЦПЭ, но основная масса восстановленных эквивалентов для дыхательной цепи поступает из общих путей катаболизма. Следовательно, регуляция общих путей ката-

болизма и дыхательной цепи тесно связана.

Для оценки энергетического состояния клетки используют величину энергетического заряда, отражающего соотношение концентрации ATФ к продуктам ее распада — AДФ и AMФ.

При увеличении энергетического заряда в клетке (в состоянии покоя) скорость реакций общих путей катаболизма снижается, а при уменьшении энергетического заряда — увеличивается. Это достигается за счет того, что ATФ дейст-

вует как аллостерический ингибитор, а AДФ и AMФ – как аллостерические активаторы некоторых ферментов ОПК (рис. 7.7).

Другой механизм регуляции связан с необходимостью регенерации NAD+ в дыхательной цепи. При уменьшении расхода АТФ в клетке скорость дыхания митохондрий снижается (дыхательный контроль), уменьшается также скорость окисления NADH в дыхательной цепи и увеличивается концентрация NADH. В этом случае NADH ингибирует некоторые ферменты общих путей катаболизма, что приводит к замедлению реакций катаболизма и, следовательно, замедлению наработки восстановленных коферментов и уменьшению синтеза АТФ. При увеличении энергетических потребностей организма происходит все наоборот.

В регуляции скорости ОПК существенную роль играет концентрация субстратов (например, активатором пируватдегидрогеназного комплекса является пируваат) и концентрация продуктов реакции, которые оказывают ингибирующее действие на активность некоторых ферментов. К тому же, регулирующим действием обладают ионы Са2+, что особенно важно для мышц, так как при мышечном сокращении происходит увеличение концентрации ионов Са2+, которые вместе с другими эффекторами быстро активируют ферменты ОПК и обеспечивают синтез АТФ для работы мышц.

Регуляция ОПК осуществляется на уровне 4-х реакций, катализируемых:

ПДК;

цитратсинтазой;

изоцитратдегидрогеназой;

α-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом.

Реакция, катализируемая ПДК, является ключевой реакцией, так как находится в центре пересечения метаболических путей и обеспечивает взаимосвязь

Раздел 7. Общий путь катаболизма

135

 

 

 

 

Рис. 7.7. Регуляция общего пути катаболизма.

Цитратный цикл регулируется по механизму отрицательной обратной связи с участием аллостерических ферментов. При уменьшении расхода АТФ активность дыхательной цепи снижается (дыхательный контроль), концентрация NADH в клетке повышается и приводит к снижению активности регуляторных ферментов. NADH ингибирует NAD-зависимые дегидрогеназы. Повышение концентрации цитрата, сукцинил-КоА и ацетил-КоА также приводит к ингибированию регуляторных реакций, тогда как субстраты реакций — пируват и оксалоацетат активируют ферменты ОПК

136

Биологическая химия

таких процессов, как гликолиз, глюконеогенез, синтез и окисление жирных кислот. ПДК обеспечивает цитратный цикл субстратом — ацетил-КоА. Активность ПДК регулируется различными способами (рис. 7.8):

активацией субстратами;

ингибированием продуктами;

соотношением NAD+/NADH и АМФ/АТФ;

путем ковалентной модификации — фосфорилированием и дефосфорилированием.

ПДК-Р

неактивная

форма

АДФ

H2O

АТФ

пируват киназа фосфатаза Ca2+

Ацетил-КоА

NADH

Pi

АТФ

ПДК-ОН

активная Пируват, NAD+, HSKoA

форма

NADH, Ацетил-КоА

Пируват Ацетил-КоА

KoASH CO2

NAD+ NADH

Рис. 7.8. Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса.

Пируватдегидрогеназный комплекс содержит две регуляторные субъединицы, проявляющие киназную и фосфатазную активность. Киназа фосфорилирует ПДК и переводит его в неактивную форму, фосфатоза отщепляет фосфорный остаток и переводит ПДК в активную форму. Киназа ПДК аллостерически активируется NADH и ацетил-КоА, но ингибируется АТФ и пируватом. При мышечной работе повышение концентрации Са2+ активирует фосфатазу ПДК, которая дефосфорилирует и активирует ПДК

Раздел 7. Общий путь катаболизма

137

7.4. Амфиболическое значение общего пути катаболизма

Общий путь катаболизма выполняет как энергетическую, так и анаболическую функцию (рис. 7.9). Анаболическая функция ОПК проявляется в том, что ряд промежуточных продуктов используется для синтеза необходимых организму веществ. Так пируват, α-кетоглутарат и оксалоацетат являются кетокислотами, которые путем трансаминирования могут превращаться в аланин, глутаминовую и аспарагиновую кислоты соответственно. Сукцинил-КоА используется для синтеза гема, а пируват и оксалоацетат могут включаться в процесс синтеза глюкозы.

Рис. 7.9. Амфиболическое значение общих путей катаболизма:

А — энергетическая роль ОПК; Б — анаболическое значение ОПК

138

Биологическая химия

Очевидно, что выведение хотя бы одного метаболита цикла нарушает его работу, так как уменьшает регенерацию оксалоацетата. Для компенсации убыли метаболитов цикла в митохондриях происходит реакция карбоксилирования пирувата с образованием оксалоацетата. Таким образом, пируват включается в цитратный цикл двумя путями: окислительным декарбоксилированием с образованием ацетил-КоА и карбоксилированием с образованием оксалоацетата. Последнюю реакцию катализирует пируваткарбоксилаза

пируваткарбоксилаза

Пируват + СО2 + АТФ → Оксалоацетат + АДФ + Н3РО4.

Пируваткарбоксилаза содержится только в митохондриях. Фермент построен из четырех субъединиц, каждая из которых содержит прочно связанный ион Mn2+ и витамин биотин, выполняющий коферментную функцию. Биотин соединен с ферментом амидной связью через ε-аминогруппу остатка лизина (рис. 7.10).

 

O

 

 

O

HN

C

 

HN

C

NH

 

N COOH

HC

CH

O

HC

CH

HOOC(CH2)4 HC

CH2

Lys NH C (CH2)4

HC

CH2

 

S

 

 

S

А. биотин

Б. карбоксибиотин в составе фермента

 

 

 

 

 

Рис. 7.10. Строение биотина (А) и карбоксибиотина в составе фермента (Б)

7.5. Гипоэнергетические состояния

Наиболее частой причиной гипоэнергетических состояний является гипоксия, возникновение которой, в свою очередь, связано с нарушением:

поступления кислорода в кровь, что наблюдается при недостаточности О2 во вдыхаемом воздухе или недостаточности легочной вентиляции;

транспорта кислорода в ткани при патологии кровообращения или снижении транспортной функции гемоглобина;

функций митоходрий, вызванных действием ядов и разобщителей. Кроме того, причиной гипоэнергетических состояний могут быть гиповита-

минозы, так как в реакциях общих путей катаболизма и дыхательной цепи участвуют коферменты, содержащие витамины. Так, витамин В1 входит в состав тиаминдифосфата, В2 является составной частью FMH и FAD, витамин РР в виде никотинамида входит в состав NAD+ и NADР, пантотеновая кислота — в состав кофермента А; биотин выполняет коферментную функцию в реакции карбоксилирования пирувата.

Раздел 8

Обмен углеводов

Знания о структуре и свойствах углеводов необходимы для понимания их функции в организме человека. Прежде всего углеводы являются основными поставщиками энергии. На их долю приходится более 50% от суточного количества необходимых организму человека калорий. Углеводы составляют почти 75% массы суточного пищевого рациона. В промежутках между едой в качестве легкомобилизуемого резерва организм использует гликоген. В виде гликогена клетки запасают около 500 г этого полисахарида, что соответствует примерно 2000 ккал.

Следует отметить и структурную роль углеводов. В виде гликозаминогликанов углеводы входят в состав межклеточного матрикса. Большое число белков (ферменты, белки-транспортеры, белки-рецепторы, гормоны, иммуноглобулины и т.д.) является гликопротеинами. Углеводы используются для синтеза нуклеиновых кислот и входят в состав коферментов. Глюкурониды участвуют в процессах детоксикации эндогенных ядов и ксенобиотиков. Таким образом, кроме основной энергетической функции («клеточные дрова») углеводы участвуют во многих метаболических процессах.

8.1. Основные углеводы пищи. Строение, переваривание

Источником углеводов для организма человека являются углеводы пищи, основным из которых является крахмал. Кроме того, в пище содержатся глюкоза, сахароза, лактоза и другие углеводы, но в меньшем количестве.

Моносахариды пищи (рис. 8.1А)

Глюкоза — это альдогексоза. Она может существовать в линейной и циклической формах. Циклическая форма глюкозы, предпочтительная в термодинамическом отношении, обуславливает химические свойства глюкозы. Наиболее важными стероизомерами этого моносахарида является D- и L-глюкоза.

139

140

Биологическая химия

Фруктоза — кетогексоза (кетогруппа находится у второго углеродного атома). Фруктоза, так же как и глюкоза, существует в циклической форме, образуя α- и β-аномеры.

Дисахариды пищи (Рис. 8.1Б)

Сахароза — дисахарид, состоящий из α-D-глюкозы и β-D-фруктозы, соединенных α,β-1,2 гликозидной связью. Сахароза — растворимый дисахарид, привлекающий человека своим сладким вкусом. Источником сахарозы служат растения, особенно такие, как сахарная свекла, сахарный тростник. Последнее объясняет возникновение тривиального названия сахарозы — тростниковый или свекловичный сахар, широко используемый людьми в пищевом рационе.

Лактоза — молочный сахар, является важнейшим дисахаридом молока млекопитающих. В коровьем молоке содержится до 5% лактозы, в женском молоке — до 8%. В лактозе аномерная ОН-группа первого углеродного атома остатка D-галактозы связана β-гликозидной связью с четвертым углеродным атомом D-глюкозы (β-1,4-связь).

Мальтоза поступает с продуктами, содержащими частично гидролизованный крахмал, например солод, пиво. Мальтоза также образуется при расщеплении крахмала в кишечнике. Мальтоза состоит из двух остатков D-глюкозы, соединенных α-1,4-гликозидной связью.

Изомальтоза — промежуточный продукт, образующийся при расщеплении крахмала в кишечнике. Состоит из двух остатков D-глюкозы, но соединены эти моносахариды α-1,6-гликозидной связью.

Полисахариды пищи (рис. 8.1В)

Крахмал является резервным полисахаридом растений и содержится в наибольшем количестве (до 45% от сухого вещества) в зернах злаков (пшеница, кукуруза, рис и т.д.), а также луковицах, стеблях и клубнях растений (в картофеле примерно 65%). Он содержится в клетках растений в виде гранул, практически нерастворим в воде. Крахмал — это разветвленный полисахарид, состоящий из остатков глюкозы (гомогликан).

В местах ветвления остатки глюкозы соединены α-1,6-гликозидными связями. Линейные участки содержат примерно 20–25 остатков глюкозы. При этом формируется древовидная структура, в которой имеется лишь одна аномерная ОН-группа. Крахмал — это высокомолекулярное соединение с молекулярной массой порядка 105-108 Да.

Целлюлоза (клетчатка) — основной структурный полисахарид растений. Это самое распространенное органическое соединение на Земле. Доля целлюлозы в клеточных стенках растений составляет 40–50%.

Целлюлоза — линейный полисахарид гомогликан, построенный из остатков глюкозы, соединенных между собой β-1,4-гликозидными связями. Пищевари-

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.

Соседние файлы в папке Литература