Заняття 12 Тема: обмін вуглеводів (частина 2). Визначення молочної кислоти у біологічному матеріалі теоретична частина:

В організмі вуглеводи можуть піддаватися окисненню або використовуватися для синтезу глікогену – резервного вуглеводу тканин (печінки, м'язів, нервової тканини та ін.). Головним депо вуглеводів є печінка.

Окислення вуглеводів відбувається в 2 стадії. Перша стадія називається гліколізом. Друга стадія має назву окислювального циклу трикарбонових кислот (або циклу Кребса).

Гліколіз – це процес анаеробного (тобто не вимагає участі вільного О₂) ферментативного негідролітичного розщеплення вуглеводів (головним чином глюкози і глікогену) в тваринних тканинах, що супроводжується синтезом аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ) і закінчується утворенням молочної кислоти. Він важливий для м'язових клітин, сперматозоїдів, зростаючих тканин (у тому числі, пухлинних), тому що забезпечує накопичення енергії за відсутності кисню. Гліколіз в присутності О₂ (аеробний гліколіз, який йде до утворення піровиноградної кислоти) спостерігається в еритроцитах, сітківці ока, тканинах плоду одразу після народження і в слизовій оболонці кишечника.

В цілому, гліколіз може протікати за трьома напрямками, що розрізняються продуктами перетворення піровиноградної кислоти (пірувату). Кінцевим продуктом одного з варіантів гліколізу є молочна кислота (в анаеробних умовах):

С₆Н₁₂О₆ + 2Н₃РО₄ + 2АДФ → 2СН₃СН(ОН)СООН + 2АТФ; G° = –135 кДж.

В анаеробних умовах піровиноградна кислота може декарбоксилюватися з утворенням оцтового альдегіду, який відновлюється до етилового спирту):

СН₃СОСООН СН₃СНО + СО₂­.

СН₃СНО + НАДН + Н⁺ С₂Н₅ОН + НАД⁺.

Цей процес називають спиртовим бродінням.

В аеробних умовах піровиноградна кислота піддається окиснювальному декарбоксилюванню і зв'язується з коферментом А (третій варіант гліколізу):

HSСо А + СН₃СОСОOH + НАД⁺ → СН₃СО~SСо А + СO₂­ + НАДН + Н⁺.

Гліколітичний шлях представляє собою 10 послідовних реакцій, кожна з яких каталізується окремим ферментом. Відбувається він у цитозолі.

Процес гліколізу умовно можна розділити на два етапи. Перший етап, що протікає з витратою енергії 2 молекул АТФ, полягає в розщепленні молекули глюкози на 2 молекули гліцеральдегід-3-фосфату. На другому етапі відбувається НАД-залежне окиснення гліцеральдегід-3-фосфату, що супроводжується синтезом АТФ. Сам по собі гліколіз є повністю анаеробним процесом, тобто не вимагає для протікання реакцій присутності кисню.

Крім глюкози, в процес гліколізу можуть залучатися гліцерин, деякі амінокислоти та інші субстрати.

Подальша доля утвореної піровиноградної кислоти може бути різною в залежності від наявних в організмі умов.

В умовах неповного задоволення потреби організму в кисні завдяки наявності подвійного зв'язку піровиноградна кислота приєднує гідроген від відновленої форми НАД, перетворюючись у молочну кислоту:

СН₃ СН₃

│ │

С ═ О + над∙ Н₂ СН ─ ОН + НАД⁺

│ │

СООН СООН

піровиноградна молочна

кислота кислота

В аеробному гліколізі утворюється 10 молекул АТР на 1 молекулу глюкози. Сумарний ефект аеробного гліколізу складає 8 молекул АТР, тому як на початкових реакціях використовується 2 молекули АТР.

При задоволенні потреби організму в кисні (у стані спокою, при неінтенсивній м'язовій діяльності) піровиноградна кислота, що виникла в результаті гліколізу, піддається окислювальному декарбоксилюванню з утворенням ацетильного радикалу, який окиснюється в циклі Кребсу:

Ферменти: 1 – цитратсинтаза, 2 – аконітаза, 3 – ізоцитратдегідрогеназа,

 -кетоглутаратдегідрогеназний комплекс, 5 – сукциніл-КоА-тіокі-наза, 6 – сукцинатдегідрогеназа, 7 – фумараза, 8 – малатдегідрогеназа.

Подальше окиснення двох молекул пірувату в загальних шляхах катаболізму супроводжується синтезом 30 молекул АТР (по 15 молекул на кожну молекулу пірувату). Отже, сумарний енергетичний ефект аеробного розпаду глюкози до кінцевих продуктів складає 38 молекул АТР.

Цикл трикарбонових кислот (цикл лимонної кислоти, цикл Кребса). Це циклічна послідовність ферментативних реакцій, у якій беруть участь ди- і трикарбонові кислоти, які є проміжними продуктами при розпаді білків, жирів і вуглеводів у тварин, рослин і мікробів. Таким чином, цикл Кребсу – кінцевий загальний шлях окиснення білків, ліпідів і вуглеводів, який відбувається у мітохондріях. Він поставляє речовини для різного біосинтезу і здійснюється в аеробних умовах. Сумарне рівняння циклу трикарбонових кислот:

СН₃СО~SСоА + 3НАД⁺ + ФАД + ГДФ + Н₃РО₄ + 2Н₂О → 2СО₂­ + 3НАДН + 2Н⁺ + ФАДН₂ + ГТФ + НSСоА

Глюконеогенезом називають синтез глюкози і глікогену із сполук невуглеводної природи. Основні субстрати - лактат, гліцерин і амінокислоти. Лактат під дією лактатдегідрогенази перетворюється в піруват, з якого утворюється фосфоенолпіруват. Включення в глюконеогенез гліцерину, який утворюється при розпаді жирів, відбувається через його фосфорилювання і наступне перетворення в гліцерофосфат і далі в гліцеральдегід-3-фосфат і диоксиацетонфосфат. Всі амінокислоти, за винятком лейцину, можуть служити попередниками фосфоенолпіровиноградної кислоти, а отже глюкози і глікогену. Головними попередниками пірувату і фосфоенолпірувату є проміжні продукти циклу трикарбонових кислот. Більшість реакцій глюконеогенезу - це зворотні реакції гліколізу. Проте три реакції гліколізу практично незворотні: піруваткіназна, фосфофруктокіназна і гексокіназна. Обхід піруваткіназної реакції відбувається у два етапи.

1 . Пируват + СаО₂ + АТФ+Н₂О Оксалоацетат + АДФ + Р_неорг

2 . Оксалоацетат + ГТФ фосфоенолпіруват + З0₂ + ГДФ

Обхід наступних двох реакцій гліколізу досягається шляхом гідролітичного розщеплення фосфорноефірних зв'язків у фруктозо-1,6-дифосфаті і в глюкозо-6-фосфаті під дією специфічних фосфатаз (фруктозодифосфатази і глюкозо-6-фосфатази відповідно). У результаті цих реакцій утворюється неорганічний фосфат, фруктозо-6-фосфат і глюкоза:

Ф руктозо-1,6-дифосфат + H₂О Фруктозо-6-фосфат + Р_неорг,

Г люкозо-6-фосфат + H₂О Глюкоза + Р_неорг.

Рівняння сумарного процесу глюконеогенезу:

2 Лактат + 6АТФ Глюкоза + 6АДФ+ 6Р_неорг.