3 КУРС (БИОХИМИЯ ЭНЕРГИЯ) / Разобранные билеты на экзамен по биохимии

7. Биосинтез гликогена. Роль UDP-Glc в этом процессе. Регуляция гликогенеза на уровне гликогенсинтазы.

В гепатоцитах ускорение синтеза гликогена характерно только после приема пищи и при гипергликемии. Такие отличия метаболизма обусловлены наличием изофермента гексокиназы, фосфорилирующей глюкозу в глюкозо-6-фосфат. В печени работает её изоформа – глюкокиназа, обладающая низким сродством к глюкозе, что ведет к захвату моносахарида гепатоцитом только при высокой концентрации в крови (после еды), что впоследствии метаболизирует ее в любом направлении. При нормогликемии преодоление глюкозы цитолеммой клеткой тормозится.

Непосредственно синтез гликогена обеспечивают следующие ферменты.

Фосфоглюкомутаза обратимо изомеризует глюкозо-6-фосфат в глюкозо-1-фосфат. Глюкозо-1- фосфат-уридилтрансфераза – энзим, осуществляющий ключевую реакцию синтеза. Её необратимость обусловливается гидролизом высвобождающегося при этом дифосфата Гликогенсинтаза образует α-1,4-гликозидные связи и удлиняет гликогеновую цепочку, присоединяя первый углеродный атом УДФ-глюкозы к четвертому атому углерода концевого остатка гликогена

(рис. 10).

Амило-α-1,4-α-1,6-гликозилтрансфераза ("гликогенветвящий"фермент) переносит фрагмент (6 остатков глюкозы) на соседнюю цепь, образуя α-1,6-гликозидную связь.

8. Глюконеогенез. Цикл Кори.

Глюкозо-лактатный цикл (цикл Кори) – это связь глюконеогенеза в печени и образования лактата в эритроцитах или мышцах из глюкозы. В эритроцитах молочная кислота образуется непрерывно, так как для них анаэробный гликолиз является единственным способом образования энергии.

В скелетных мышцах высокое накопление молочной кислоты является следствием гликолиза при очень интенсивной работе. Но даже при работе низкой и средней интенсивности в скелетной мышце образуется некоторое количество лактата. Утилизоваться он может только одним способом – превратиться в пировиноградную кислоту. Однако, сама мышечная клетка ни при работе, ни во время отдыха не способна превратить лактат в пируват из-за особенностей изоферментаЛДГ-5.

Поэтому во время и после нагрузки лактат удаляется из мышцы. Малая часть молочной кислоты выводится с мочой. Большая часть лактата захватывается гепатоцитами, окисляется в пировиноградную кислоту и вступает на путь глюконеогенеза.

Глюконеогенез – это синтез глюкозы из неуглеводных компонентов: лактата, пирувата, глицерола, кетокислот цикла Кребса и других кетокислот, из аминокислот. Процесс 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- фосфатазнойреакции, которая идет только в печени и почках. Поэтому, строго говоря, глюконеогенез идет только в этих двух органах. Как указывалось ранее, в гликолизе существуют три необратимые реакции: пируваткиназная (десятая), фосфофруктокиназная(третья) и гексокиназная(первая). На этих реакциях существуют энергетические барьеры, которые обходятся с помощью дополнительных реакций. Все аминокислоты, кроме кетогенных лейцина и лизина, способны участвовать в синтезе глюкозы. Углеродные атомы некоторых из них – глюкогенных – полностью включаются в молекулу глюкозы, некоторых – смешанных – частично.

ОБХОД 10 РЕАКЦИИ:

На этом этапе глюконеогенеза работают два основных фермента – в митохондриях

пируваткарбоксилаза и в цитозоле фосфоенолпируват-карбоксикиназа.

В митохондриях пируваткарбоксилаза превращает пировиноградную кислоту в оксалоацетат. Далее оксалоацетат должен попасть в цитозоль и превратиться в фосфоенолпируват. Однако дело осложняется непроницаемостью мембраны для оксалоацетата. Зато через мембрану может пройти малат, предшественник оксалоацетата по ЦТК. Повернуть малатдегидрогеназную реакцию ЦТК вспять позволяет избыток НАДН в митохондриях. НАДН поступает из β-окисленияжирных кислот, активируемого в условиях недостаточности глюкозы в гепатоците. Врезультате малат накапливается, выходит в цитозоль и здесь превращается обратно в оксалоацетат. Вцитоплазме фосфоенолпируваткарбоксикиназа осуществляет превращение оксалоацетата в фосфоенолпируват, для реакции требуется энергия ГТФ. От молекулы отщепляется тот же углерод, что и присоединяется.

ОБХОД 3 РЕАКЦИИ ГЛИКОЛИЗА

Второе препятствие на пути синтеза глюкозы – фосфофруктокиназная реакция – преодолевается с помощью фермента фруктозо-1,6-дифосфатазы. Этот фермент есть в почках, печени, поперечнополосатых мышцах. Таким образом, эти ткани способны синтезировать фруктозо-6- фосфатиглюкозо-6-фосфат.

ОБХОД ПЕРВОЙ РЕАКЦИИ ГЛИКОЛИЗА

Последняя реакция катализируется глюкозо-6-фосфатазой.Она имеется только впечени ипочках, следовательно, только эти ткани могут продуцировать свободную глюкозу.

9. Окислительное декарбоксилирование пирувата.

Окисление пирувата до ацетил-CоА происходит при участии ряда ферментов и коферментов, объединенных структурно в мультиферментную систему, получившую название «пируватдегидрогеназный комплекс». На первой стадии этого процесса пируват (рис. 18.1) теряет свою карбоксильную группу в результате взаимодействия с тиаминпирофосфатом (TPP) в составе активного центра фермента пируватдегидрогеназы (E1). На второй стадии оксиэтильная группа комплекса E1–TPP–СНОН–СН3 окисляется с образованием ацетильной группы, которая одновременно переносится на амид липоевой кислоты (кофермент), связанной с ферментом дигидролипоилацетилтрансферазой (Е2). Этот фермент катализирует третью стадию – перенос ацетильной группы на коэнзим CоА (HSCoA) с образованием конечного продукта (ацетил-CоА), который является высокоэнергетическим (макроэргическим) соединением. На четвертой стадии

регенерируется окисленная форма липоамида из восстановленного комплекса дигидролипоамида-Е2. При участии фермента дигидролипоилдегидрогеназы (Е3) осуществляется перенос атомов водорода от восстановленных сульфгидрильных групп дигидролипоамида на FAD, который выполняет роль простетической группы данного фермента и прочно с ним связан. На пятой стадии восстановленный FADН2 дигидролипоилдегидрогеназы передает водород на кофермент NAD+ (с образованием NADН + Н+).

Рис. 18.1. Механизм действия пируватдегидрогеназного комплекса. Е1 – пируватдегидрогеназа; Е2 – дигидролипоилацетилтрансфераза; Е3 – дигидролипоилдегидрогеназа (цифры в кружках обозначают стадии процесса)

Процесс окислительного декарбоксилирования пирувата происходит в матриксе митохондрий. В нем (в составе сложного мультиферментного комплекса) принимают участие 3 фермента (пируватдегидрогеназа, дигидролипоилацетилтрансфераза, дигидролипоилдегидрогеназа) и 5 коферментов (TРP, амид липоевой кислоты, коэнзим А, FAD и NAD), из которых три относительно прочно связаны с ферментами (ТPP-E1, липоамид-Е2 и FAD-Е3), а два – легко диссоциируют (HS-CoA и NAD). Все эти ферменты, имеющие субъединичное строение, и коферменты организованы в единый комплекс. Поэтому промежуточные продукты способны быстро взаимодействовать. Доказано, что полипептидные цепи субъединиц дигидролипоил-ацетилтрансферазы составляют как бы ядро комплекса, вокруг которого расположены пируватдегидрогеназа и дигидролипоилдегидрогеназа. Принято считать, что нативный ферментный комплекс образуется путем самосборки. Суммарную реакцию, катализируемую пируватдегидрогеназным комплексом, можно представить следующим образом:

Пируват + НАД+ + HS-KoA –> Ацетил-КоА + НАДН + Н+ + СO2.

Реакция сопровождается значительным уменьшением стандартной свободной энергии и практически необратима (∆G0′= 40 кДж/моль). Образовавшийся в процессе окислительного декарбоксилирования ацетил-CоА подвергается дальнейшему окислению с образованием СО2 и Н2О. Полное окисление ацетил-CоА происходит в цикле трикарбоновых кислот (цикл Кребса). Этот процесс, так же как окислительное декарбоксилирование пирувата, происходит в митохондриях клеток.

10. Цикл лимонной кислоты. Регуляция цикла.

Кребса – общий конечный путь окисления ацетильных групп (в виде ацетил-КоА), в которые превращается в процессе катаболизма большая часть органических молекул, играющих роль «клеточного топлива»: углеводов, жирных кислот и аминокислот.

Данный цикл происходит в матриксе митохондрий и состоит из восьми последовательных реакций. Начинается цикл с присоединения ацетил-КоА к оксалоацетату и образования лимонной кислоты (цитрата). Затем лимонная кислота (шестиуглеродное соединение) путем ряда дегидрирований (отнятие водорода) и двух декарбоксилирований (отщепление СО2) теряет два углеродных атома и снова в цикле Кребса превращается в оксалоацетат (четырехуглеродное соединение), т.е. в результате полного оборота цикла одна молекула ацетил-КоА сгорает до СО2 и Н2О, а молекула окса-лоацетата регенерируется. Рассмотрим все восемь последовательных реакций цикла Кребса.

1.Первая реакция катализируется ферментом цит-рат-синтазой, при этом ацетильная группа ацетилКоА конденсируется с оксалоацетатом, в результате чего образуется лимонная кислота:

2.В результате второй реакции образовавшаяся лимонная кислота подвергается дегидратированию с образованием цис-аконитовой кислоты, которая, присоединяя молекулу воды, переходит в изолимонную кислоту (изоцитрат). Катализирует эти обратимые реакции гидратации–дегидратации фермент аконитатгидратаза (аконитаза). В результате происходит взаимоперемещение Н и ОН в молекуле цитрата:

кислота (малат). Следует отметить, что фумаратгидратаза обладает стереоспецифичностью– в ходе реакции образуется L-яблочная кислота:

8 .Наконец, в ходе восьмой реакции цикла трикарбоновых кислот под влиянием митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы происходит окисление L-малата в оксалоацетат:

На первом этапе пируватдегидрогеназный комплекс активируется пируватом, NAD+, СоА; ингибируется NADH и ацетил-СоА; на втором этапе цитратсинтазная реакция ускоряется при повышении концентрации оксалоацетата и замедляется при повышении концентрации цитрата, NADH, АТP и сукцинил-СоА; на третьем этапе изоцитратдегидрогеназа аллостерически активируется АDP, ионами кальция, ингибируется NADH; на четвёртом этапе α- кетоглутаратдегидрогеназный комплекс ингибируется NADH, АTP и сукцинил-СоА, активируется ионами кальция. Изоцитратдегидрогеназа – олигомерный фермент, состоящий из 8 субъединиц. Присоединение изоцитрата к первой субъединице вызывает кооперативное изменение конформации других, увеличивая скорость присоединения субстрата. Увеличение активности изоцитратдегидрогеназы снижает концентрацию цитрата, что в свою очередь уменьшает ингибирование цитратсинтазы продуктом реакции. При повышении концентрации NADH активность фермента снижается.

α - Кетоглутаратдегидрогеназный комплекс, имеющий сходное строение с пируватдегидрогеназным, в отличие от последнего не имеет в своём составе регуляторных субъединиц. Главный механизм регуляции αкетоглутаратдегидрогеназного комплекса – ингибирование реакции NADH и сукцинилСоА. α- Кетоглутаратдегидрогеназный комплекс, как и изоцитратдегидрогеназа, активируется Са2+, а при повышении концентрации АТР скорости обеих реакций снижаются.

12.Деградация пищевых и тканевых нуклеиновых кислот. Характеристика нуклеаз. Транспорт нуклеотидов.

Пищевые нуклеопротеины, попадая в организм человека, в желудке отщепляют белковый компонент

иденатурируют под действием НСl желудочного сока. Далее полинуклеотидная часть этих молекул гидролизуется в кишечнике до мононуклеотидов. В расщеплении нуклеиновых кислот принимают участие ДНК-азы и РНК-азы панкреатического сока, которые, будучи эндонуклеазами, гидролизуют макромолекулы до олигонуклеотидов. Последние под действием фосфодиэстераз панкреатической железы расщепляются до смеси 3'- и 5'-мононуклеотидов. Нуклеотидазы и неспецифические фосфатазы гидролитически отщепляют фосфатный остаток нуклеотидов и превращают их в нуклеозиды, которые либо всасываются клетками тонкого кишечника, либо расщепляются нуклеозидфосфорилазами кишечника с образованием рибозоили дезоксирибозо-1-фосфата, пуриновых и пиримидиновых оснований. Пищевые пурины и пиримидины не являются незаменимыми пищевыми факторами и очень мало используются для синтеза нуклеиновых кислот тканей. В энтероцитах обнаружена высокая активность ксантиноксидазы - фермента, который большую часть пуринов, поступающих в клетки, превращает в мочевую кислоту, удаляющуюся с мочой. Пиримидиновые основания, не успевшие поступить в энтероциты, под действием микрофлоры кишечника расщепляются до NH3, CO2, β-аланина и β-аминоизобутирата. В различных клетках организма синтезируется до 90% пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов из простых предшественников de novo. Введённые в кровь азотистые основания и нуклеозиды, а также основания

инуклеозиды, образующиеся в результате внутриклеточного разрушения нуклеиновых кислот, в

небольшом количестве могут использоваться для повторного синтеза нуклеотидов по так называемым "запасным" путям.

13. Катаболизм пуриновых нуклеотидов.

Пурины распадаются с образованием мочевой кислоты. Наиболее активно катаболизм пуринов идет в печени, тонком кишечнике (пищевые пурины) и почках.

Реакции распада пуринов можно условно разделить на 5 стадий:

1.Дефосфорилирование АМФ и ГМФ – фермент 5'-нуклеотидаза.

2.Гидролитическое отщепление аминогрупы от С6 в аденозине – фермент дезаминаза. Образуется инозин.

3.Удаление рибозы от инозина (с образованием гипоксантина) и гуанозина (с образованием гуанина) с ее одновременным фосфорилированием – фермент нуклеозидфосфорилаза.

4.Окисление С2 пуринового кольца: гипоксантин при этом окисляется до ксантина (фермент ксантиноксидаза), гуанин дезаминируется до ксантина – фермент дезаминаза.

5.Окисление С8 в ксантине с образованием мочевой кислоты – фермент ксантиноксидаза. Около 20% мочевой кислоты удаляется с желчью через кишечник, где она разрушается микрофлорой до CO2 и воды. Остальная часть удаляется через почки.

14.Катаболизм пиримидиновых нуклеотидов.

Вотличие от пуринов, кольцевая структура пиримидинов разрушается с образованием обычных конечных продуктов катаболизма - β-аминокислот, аммиака и двуокиси углерода. В катаболизме пиримидиновых нуклеотидов принимают участие нуклеотидазы и пиримидиновые нуклеотид фосфорилазы, которые превращают мононуклеотиды в свобоные основания. Аминогруппы цитозина и 5-метилцитозина отделяется в форме аммиака.. Дециклизация. Свободные пиримидиновые основания восстанавливаются НАДФН+Н+. Атомы N2 и C3 пиримидинового кольца выделяются в форме аммиака и двуокиси углерода соответственно. Оставшаяся часть кольца представляет собой β-аминокислоту . β -аминоизомасляная кислота образуется из тимина или 5-метилцитозина и в основном затем выделяется почками. Незначительная часть ее после переаминирования может превращаться в сукцинил-КоА и использоваться в цикле трикарбоновых кислот. Из цитозина и урацила образуется β-аланин, который может быть использован для синтеза биологически активных дипептидов карнозина (гис-β-ала) или ансерина (метил гис-βала) в мозге и мышцах.