бх. 1. Катаболизм основных пищевых веществ (углеводы, жиры, аминокислоты и белки)
 Скачать 1.08 Mb.
|
|
1. Катаболизм основных пищевых веществ (углеводы, жиры, аминокислоты и белки). Понятие о специфических путях катаболизма. Специфические пути катаболизма пищевых веществ. Образование пирувата из углеводов и большинства аминокислот. Образование ацетил-КоА из жирных кислот и некоторых аминокислот. Если процесс катаболизма рассматривать с общей точки зрения, то можно выделить три основные его части: 1. Расщепление в пищеварительном тракте. Это гидролитические реакции, превращающие сложные пищевые вещества в относительно небольшое число простых метаболитов: глюкоза, аминокислоты, глицерин, жирные кислоты. 2. Специфические пути катаболизма. Простые метаболиты подвергаются специфическим реакциям расщепления, в результате которых образуется либо пировиноградная кислота, либо ацетил — КоА. Причем ацетил — КоА может образоваться из пирувата в результате окислительного декарбоксилирования. Могут также образоваться другие соединения, непосредственно включающиеся в цитратный цикл. 3. Цитратный цикл и дыхательная цепь завершают расщепление пищевых веществ до конечных продуктов — СО 2 и Н 2 О. Пируват образуется или непосредственно из углеродных скелетов аминокислот, что характерно для треонина, цистеина, серина, аланина, глицина, или же из аминокислот вначале образуются промежуточные продукты цикла Кребса, превращающиеся в оксалоацетат, который после декарбоксилирования образует пируват. Этим путем идет образование пируват из глутамата, глутамина, аргинина, гистидина и ряда других аминокислот. В матриксе митохондрий от пировиноградной кислоты (С3) отщепляется молекула , при этом образуется остаток уксусной кислоты (ацетил), который присоединяется к специальной молекуле- переносчику — коферменту А (КоА). Образуется ацетил-КоА. В ацетил-КоА превращаются при окислении в митохондриях и жирные кислоты, и ряд аминокислот. Это окислительный процесс, при этом образуется 1 молекула восстановленного НАДН. 2. Общий путь катаболизма: окисление пирувата и ацетил-КоА до конечных продуктов распада. Биологическое значение, локализация компонентов общего пути катаболизма в клетке. Общий путь катаболизма — совокупность биохимических процессов, которая включает в себя 2 группы реакций: 1) Окислительное декарбоксилирование пирувата, сопровождаемое образованием НАДН+Н + . 2) Окисление ацетил-КоА в цикле Кребса. После дегидрировании метаболитов цикла трикарбоновых кислот образуется 3НАДН + Н + и ФАДН 2 , которые передают свои протоны и электроны на дыхательные цепи, где в сопряженных реакциях окислительного фосфорилирования и образуются молекулы АТФ. Общий итог: 1. Окислительное декарбоксилирование пирувата - 3 АТФ. 2. В ЦТК и сопряженных дыхательных цепях - 11 АТФ. 3. В реакции субстратного фосфорилирования ЦТК - 1 АТФ. Итого: 15 АТФ. Именно в общем пути катаболизма образуется основная масса субстратов для реакций дегидрирования. Совместно с дыхательной цепью и окислительным фосфорилированием общий путь катаболизма является основным источником энергии в форме АТФ. Общий путь катаболизма обеспечивает: 1) продукцию энергии в дыхательных цепях, поставляя в нее протоны и электроны; 2) ряд биосинтетических процессов, начинающихся от ацетил-КоА и метаболитов ЦТК. 3. Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты: биологическое значение, строение пируватдегидрогеназного комплекса, коферменты реакций, последовательность реакций, механизм катализа. Механизмы регуляции скорости окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты. Происходит в матриксе митохондрий. Транспорт пирувата в митохондриальный матрикс через внутреннюю мембрану митохондрий осуществляется при участии специального белка-переносчика по механизму симпорта с H + Процесс осуществляется также при участии набора ферментов, объединенных в пируватдегидрогеназный комплекс (ПВДГК). Это мультиферментная система, которая включает 3 фермента и 5 коферментов (все они являются водорастворимыми витаминами). Е 1 — пируватдекарбоксилаза. Коферментом является активная форма витамина В 1 , тиамина — ТПФ (тиаминпирофосфат). Е 2 — дигидролипоилацетилтрансфераза. Коферментом является витаминоподобноевещество — липоевая кислота (липоил), которая может временно превращаться в дигидролипоил, присоединив 2 атома водорода. Липоил может также переносить ацетильные остатки. С этим ферментом также работает активная форма пантотеновой кислоты — КоА-SH, которая принимает ацетильный остаток от липоевой кислоты. Е 3 — дигидролипоилдегидрогеназа. Коферментом является ФАД — активная форма витамина В 2 , рибофлавина. С работой этого фермента связан также кофермент НАД + — активная форма витамина РР, никотиновой кислоты. Рис. 6.4. Реакции окислительного декарбоксилирования пирувата ПВГДК состоит из трех ферментов и пяти коферментов: Е 1 – ТПФ-Н — пируватдекарбоксилаза(ТПФ — тиаминпирофосфат, активная форма витамина В 1 ); Е 2 – ЛК — дигидролипоилацетилтрансфераза (ЛК — активная форма липоевой кислоты — витаминоподобного соединения); Е 3 – ФАД — дигидролипоилдегидрогеназа (ФАД — флавинадениндинуклеотид — активная форма витамина В 2 ); КоА-SH — активная форма пантотеновой кислоты; НАД + — никотинамидадениндинуклеотид — активная форма никотиновой кислоты. Рис. 6.5. Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса Таким образом, в результате образуются конечные продукты — СО 2 , атомы водорода для дыхательной цепи в составе НАДН·Н + и макроэргическое соединение ацетил-КоА. Лимитирующей реакцией в этом процессе является пируватдекарбоксилазная реакция. Поскольку фермент Е 1 в качестве кофермента использует ТПФ, при недостатке тиамина в пище нарушается окисление пирувата — процесса, который поставляет клеткам энергию. Возникает энергодефицит, что требует коррекции нарушения метаболизма с помощью тиамина. 4. Цикл лимонной кислоты: биологическая роль, последовательность реакций, характеристика ферментов. Механизмы регуляции скорости цитратного цикла. Реакции, пополняющие цикл лимонной кислоты (анаплеротические реакции). . Цикл лимонной кислоты (цитратный цикл, цикл Кребса, цикл трикарбоновых кислот, ЦТК) - заключительный этап катаболизма, в котором углерод ацетильного остатка ацетил-КоА окисляется до 2 молекул СО 2 . Цикл лимонной кислоты локализован в матриксе митохондрий. Атомы водорода, освобождающиеся в окислительно-восстановительных реакциях, доставляются в ЦПЭ при участии NAD- и FAD-зависимых дегидрогеназ, в результате чего происходят синтез воды и окислительное фосфорилирование АДФ. Связь между атомами углерода в ацетил-КоА устойчива к окислению. В условиях организма окисление ацетильного остатка происходит в несколько этапов, образующих циклический процесс из 8 реакций. Последовательность реакций цитратного цикла 1. Образование цитрата 2. Превращение цитрата в изоцитрат 3. Окислительное декарбоксилирование изоцитрата 4. Окислительное декарбоксилирование α-кетоглутарата 5. Превращение сукцинил-КоА в сукцинат 6. Дегидрирование сукцината 7. Образование малата из фумарата 8. Дегидрирование малата Регуляция цитратного цикла. В большинстве случаев скорость реакций в метаболических циклах определяется их начальными реакциями. В ЦТК важнейшая регуляторная реакция - образование цитрата из оксалоацетата и ацетил-КоА, катализируемая цитратсинтазой. Эта реакция ускоряется при повышении концентрации оксалоацетата - субстрата реакции и тормозится продуктом реакции - цитратом. Когда отношение NADH/NAD + снижается, скорость окисления маната в оксалоацетат возрастает. Повышение концентрации оксалоацетата ускоряет цитратсинтазную реакцию. Скорость реакции снижается при повышении концентрации АТФ, сукцинил-КоА и длинноцепочечных жирных кислот. Однако точный механизм влияния этих метаболитов на цитратсинтазу недостаточно ясен (рис. 6-27). Изоцитратдегидрогеназа, олигомерный фермент, состоит из 8 субъединиц. Присоединение изоцитрата к первой субъединице вызывает кооперативное изменение конформации других, увеличивая скорость присоединения субстрата. Фермент аллостерически активируется АДФ и Са 2+ , которые присоединяются к ферменту в разных аллостерических центрах. В присутствии АДФ конформация всех субъединиц меняется таким образом, что связывание изоцитрата происходит значительно быстрее. Таким образом, при концентрации изоцитрата, которая существует в митохондриальном матриксе, небольшие изменения концентрации АДФ могут вызвать значительное изменение скорости реакции. 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 α-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса - ингибирование реакции NADH и сукцинил- КоА. α-Кетоглутаратдегидрогеназный комплекс, как и Изоцитратдегидрогеназа, активируется Са 2+ , а при повышении концентрации АТФ скорости обеих реакций снижаются. В регуляции цитратного цикла существует множество дополнительных механизмов, обеспечивающих необходимый уровень метаболитов и их участие в других метаболических путях. Компартментализация ферментов, участвующих в реакциях окислительного декарбоксилирования пирувата и цикла лимонной кислоты, играет важную роль в регуляции этих процессов. Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для анионов и катионов, в том числе и для промежуточных продуктов цитратного цикла, которые могут быть перенесены через мембрану только при участии специальных белков. Поэтому ферменты цитратного цикла имеют больше возможностей для взаимодействия с продуктами предыдущих реакций, чем в случае свободного удаления этих продуктов из митохондрий. Доступность субстратов возрастает также в результате образования ферментных комплексов. Малатдегидрогеназа и цитратсинтаза образуют непрочные комплексы, в которых цитратсинтаза может использовать оксалоацетат, непосредственно образующийся малатдегидрогеназой. В ПДК и α-кетоглутаратдегидрогеназном комплексе субстраты непосредственно передаются от одного фермента к другому: только транса-цилаза может взаимодействовать с промежуточным продуктом, связанным с ТДФ, а дигидролипоилдегидрогеназа- с дигидролипоевой кислотой. Анаплеротические (пополняющие) реакции – специальные ферментативные реакции, обеспечивающие пополнение пула промежуточных продуктов цикла лимонной кислоты. При нормальных условиях реакции, выводящие промежуточные продукты из цикла, и реакции, восполняющие их убыль, находятся в состоянии динамического равновесия, так что концентрация этих продуктов в митохондриях остается более или менее постоянной. Анаплеротические (пополняющие) реакции: 1. Важная анаплеротическая реакция в животных тканях (в печени и почках) – это ферментативное карбоксилирование пирувата за счет СО 2 с образованием оксалоацетата; катализирует эту обратимую реакцию фермент пuруваmкарбоксuлаза. 2.1. В миокарде и в мышцах протекают другие анаплеротические реакции. Одна из таких реакций катализируется фосфоенолпируваткарбоксикиназой. 2. Аминокислоты также могут быть источниками метаболитов ЦТК: - (ала, сер, гли, цис, три) → ПВК → ЩУК- основная анаплеротическая реакция. - валин, изолейцин, продукты распада жирных кислот с нечетным числом атомов углерода → пропионил–CoA → сукцинил-CoA (во всех тканях, кроме печени и мышц, где отсутствует пируваткарбоксилаза)- основная анаплеротическая реакция. - глу, глн, арг, про, гис → глутамат → α-кетоглутарат (во многих тканях, кроме печени и мышц под действием глутаматдегидрогеназы) - фен, тир → фумарат (в печени) 5. Энергетическая функция ОПК. Связь между общим путем катаболизма и цепью переноса электронов и протонов. Анаболические функции цикла лимонной кислоты. Конечными продуктами общего пути катаболизма являются СО 2 , NADН и FADH 2 . В клетках ОПК является основным поставщиком первичных доноров водорода в ЦПЭ и включает 4 NAD + - зависимые и 1 FAD-зависимую реакции дегидрирования. В этих 5 реакциях, сопряженных с окислительным фосфорилированием АДФ, образуется 14 молекул АТФ (в пересчете на 1 молекулу пирувата). Еще 1 молекулу АТФ поставляет реакция субстратного фосфорилирования АДФ в ходе образования сукцината. Общий выход АТФ составляет 15 молекул АТФ. Распад ацетил-КоА в ЦТК сопровождается синтезом 12 молекул АТФ. Образованием оксалоацетата завершается один оборот цитратного цикла. В одном обороте цикла лимонной кислоты в 2 реакциях декарбоксилирования происходит образование 2 молекул СО 2 . В 4 реакциях цитратного цикла происходит дегидрирование с образованием восстановленных коферментов: 3 молекул NADH+H + и 1 молекулы FADH 2 . На один оборот цикла затрачивается 2 молекулы воды: одна - на стадии образования цитрата, вторая - на стадии гидратации фумарата. Восстановленные коферменты (3 молекулы NADH и 1 молекула FADH 2 ), образованные в цикле лимонной кислоты, отдают электроны в ЦПЭ на кислород - конечный акцептор электронов. Восстановленный кислород взаимодействует с протонами с образованием воды. На каждую молекулу NADH при образовании молекулы воды в процессе тканевого дыхания синтезируются 3 молекулы АТФ, а на каждую молекулу FADH 2 - 2 молекулы АТФ. Таким образом, каждый оборот цикла лимонной кислоты сопровождается синтезом 11 молекул АТФ путём окислительного фосфорилирования. Одна молекула АТФ образуется путём субстратного фосфорилирования. В итоге на каждый ацетильный остаток, включённый в цитратный цикл, образуется 12 молекул АТФ. Связь между общим путем катаболизма и цепью переноса электронов и протонов. Общий путь катаболизма, включающий пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК) и цикл трикарбоновых кислот (ЦТК), локализованные в митохондриальном матриксе, с одной стороны, и цепь переноса электронов локализованная во внутренней митохондриальной мембране, с другой, функционально связаны между собой через общие молекулы НАД + и НАДН. При увеличении расхода энергии в клетке уменьшается концентрация молекул АТФ и увеличивается АДФ.При этом увеличивается количество электронов поступающих в цепь переноса электронов от молекул НАДН, поэтому их доля снижается, но увеличивается количество молекул НАД + . Эти изменения активируют ПДК и ЦТК. В цикле активируются изоцитрат-дегидрогеназная реакция и функционирование а-оксоглутарат дегидрогеназного комплекса, которые чувствительны к концентрации АДФ. Напротив, снижение энергопотребления в клетках влечет за собой увеличение концентраций АТФ и НАДН. При этом активность ПДК и ЦТК снижается.Снижение активности общего пути катаболизма вызвано тем, что для всех регуляторных этапов увеличение концентраций АТФ и/или НАДН ингибирует ферментативные реакции. Анаболические функции цикла лимонной кислоты Другая роль цикла трикарбоновых кислот состоит в том, что он поставляет промежуточные продукты для процессов биосинтеза: Из а-оксоглутарата (а-кетоглутарата) синтезируется 5-ти углеродная аминокислота глутамат, а затем из глутамата синтезируются глутамин, аргинин и пролин. Из оксалоацетата (в нем 4 углеродных атома) синтезируется аспартат. Затем из аспартата синтезируется аспарагин. Из сукцинил-КоА синтезируются порфирины и гем. Первая реакция синтеза порфирина - реакция конденсации сукцинил-КоА и аминокислоты глицина. В этой реакции конденсации, сопряженной с декарбоксилированием, образуется важный промежуточный продукт синтеза гема - 8- аминолевуленовая кислота. Из оксалоацетата синтезируется глюкоза (процесс глюконеогенеза). Этот путь активируется при недостаточности глюкозы в клетке. 6. Нарушения энергетического обмена. Гипоэнергетические состояния как результат гипоксии, гиповитаминозов и других причин. Причиной гипоэнергетических состояний может быть следующее: гиповитаминозы экзогенные и/или эндогенные – снижается скорость и эффективность окислительных реакций. Возникает обычно при нехватке витаминов – В 1 , В 2 , никотиновой кислоты, В 6 , пантотеновой кислоты и аскорбиновой кислоты, дефицит белка в пище – снижается синтез всех ферментов и ферментов катаболизма в частности, снижение потребления углеводов и липидов как основных источников энергии, дефицит кислорода – отсутствие акцептора для электронов вызывает "переполнение" дыхательных ферментов, повышение электрохимического градиента, накопление НАДН и ФАДН 2 в клетке и прекращение катаболизма, дефицит железа – компонента цитохромов, миоглобина и гемоглобина, и меди – компонента цитохромоксидазы. Энергетические процессы в клетках зависят от концентрации и активности большого числа разнообразных гуморальных факторов (витамины, гормоны, продукты обмена, нервные медиаторы, ионы и т. д.). Обмен энергии регулируется деятельностью нервной и эндокринной систем. Кора головного мозга. Эмоциональное возбуждение сопровождается изменением корковой регуляции теплопродукции и повышает ее. Высвобождение энергии усиливается в эректильной фазе травматического шока. Гипоталамус. Одной из важнейших функций гипоталамуса является терморегуляция. При возбуждении латеральных гипоталамических полей увеличивается теплопродукция. Повреждение этих областей, а также медиальной части заднего гипоталамуса ведет к возникновению гипотермии и затрудняет защиту от воздействия холода. Опухоли преоптического поля и туберальной части сопровождаются гипертермией. Гипофиз. Удаление гипофиза приводит к снижению энергетических процессов в результате прекращения регулирующего влияния тропных гормонов (ТТГ, АКТГ) на периферические эндокринные железы. Отсутствует секреция соматотропного гормона, который увеличивает теплообразование за счет стимуляции свободного окисления. При опухолях гипофиза повышается энергетический обмен. Эозинофильная аденома сопровождается гиперпродукцией соматотропного гормона, увеличивающего теплообразование. Базофильная аденома приводит к гиперпродукции тиреотропного (ТТГ) и адренокортикотропного (АКТГ) гормонов, возникает гиперплазия щитовидной железы и коркового слоя надпочечных желез, теплопродукция увеличивается. Щитовидная железа. Тироксин и другие гормоны щитовидной железы являются основными регуляторами проницаемости митохондрий и, следовательно, энергетического обмена. При гиперфункции щитовидной железы усиливается как свободное, так и фосфорилирующее окисление, теплопродукция увеличивается. При уменьшении продукции тироксина (гипофункция щитовидной железы) теплопродукция уменьшается. Надпочечные железы. Адреналэктомия ведет к снижению энергетического обмена. При опухолях надпочечников энергетический обмен повышается. Поджелудочная железа. Инсулин — гормон поджелудочной железы — угнетает теплопродукцию и вызывает гипотермию. Удаление поджелудочной железы повышает освобождение энергии. Половые гормоны. Гормоны половых желез — тестостерон и прогестерон — активизируют свободное окисление, стимулируют высвобождение энергии. Витамины. Свободное окисление активизируется аскорбиновой кислотой. Фосфорилирующее окисление усиливают витамины Е, К, В1, В2, B12, биотин. При В-авитаминозах наблюдается гиперпродукция энергии, поскольку многие из них входят в состав коферментов цикла трикарбоновых кислот и переноса электронов в дыхательной цепи. |