|
|
ответы 50-99. 50. Окислювальне фосфорилювання
57.Постійність концентрації глюкози та механізми, які забезпечують цю постійність.
В організмі тварин і людини всі параметри складу внутрішнього середовища та його характеристики знаходяться під контролем нейрогуморальної регуляції і в нормі перебувають в стані динамічної сталості. Усі процеси, що забезпечують такий стан прийнято називати, за пропозицією Уолтера Кеннона, гомеостазом. Щодо глюкози цей стан забезпечується, переважно за рахунок діяльності ендокринної частини підшлункової залози. Підтримання рівня (від 0,8 до 1,0 г/л. (4,44 – 6,66 ммоль/л)) глюкози в крові є прикладом діяльності регуляторів-обмежувачів, коли в процесі беруть участь два гормони, які визначають верхню та нижню межі якогось фізіологічного показника.
Після споживання збагаченої вуглеводами їжі, вміст глюкози в крові зростає. Частина її потрапляє у печінку і там перетворюється в глікоген. Але підвищення концентрації глюкози в крові є сигналом для секреції інсуліну бета-клітинами острівців підшлункової залози.
Інсулін викликає: а) збільшення проникності для глюкози клітин міокарду, скелетних м’язів і жирової тканини (але не клітин головного мозку), це веде до збільшення вмісту глюкози у клітинах і стимулює їх внутрішньоклітинний обмін; б) стимулювання синтезу глікогену у печінці; в) зниження глюконеогенезу (утворення глюкози із амінокислот), внаслідок чого рівень глюкози в крові знижується.
Знижений рівень глюкози в крові викликає секрецію глюкагону альфа-клітинами острівців підшлункової залози, який підсилює глікогеноліз у печінці та сприяє глюконеогенезу. В цьому відношенні (підтримання рівня глюкози в крові) він є антагоністом інсуліну, хоч механізми цієї діяльності у них різні. Підшлункова залоза безперервно “слідкує” за вмістом глюкози в крові, яка протікає по ній і виділяє при необхідності або інсулін, або глюкагон. Підвищена концентрація глюкози в крові є стимулом для однієї з двох систем-антагоністів – бета-клітин острівців підшлункової залози, які секретують інсулін і таким чином відбувається зниження рівня глюкози до норми; знижена концентрація глюкози стимулює іншу систему – альфа-клітини, які виділяють глюкагон і так підвищують рівень цукру до норми.
Рівень секреції гормонів підшлунковою залозою контролюється глюкокортикоїдами – гормонами кори наднирників.
В контролюванні та стабілізації рівня глюкози в крові беруть участь й інші структури. Так, рівень глюкози в крові сприймається не лише глюкорецепторами підшлункової залози, а й глюкорецепторами паравентрикулярних ядер гіпоталамуса та каротидного синуса. Рецептори каротидного синуса збуджуються як при підвищенні, так і при зниженні рівня глюкози в крові. Від них сигнал до підшлункової залози іде через ядра блукаючого нерва, які блокують або підсилюють діяльність острівців. Знижений рівень глюкози в крові викликає гальмування активності гіпоталамуса і як наслідок-зниження секреції інсуліну.
58.Перетравлення вуглеводів в шлунково-кишковому тракті.
В харчовому раціоні людини зустрічаються тільки три основних джерела вуглеводів: (1) сахароза, яка є дисахаридом і широко відома як тростинний цукор, (2) лактоза, яка є дисахаридом молока, (3) крохмаль -полісахарид, представлений практично у всій рослинній їжі, особливо в картоплі і різних видах зернових. Іншими вуглеводами, засвоюваними в невеликій кількості, є амилоза, глікоген, алкоголь, молочна кислота, піро-виноградна кислота, пектини, декстрини і в найменшій кількості - похідні вуглеводів в м'ясі.
Їжа також містить велику кількість целюлози, яка є вуглеводом. Проте в травному тракті людини не існує ферменту, здатного розщепити целюлозу, тому целюлоза не розглядається як харчовий продукт, придатний для людини.
Перетравлювання вуглеводів в ротовій порожнині та шлунку. Коли їжа пережовується, вона змішується зі слиною, яка містить травний фермент птіалін (амілазу), які секретують в основному привушні залозами. Цей фермент гідролізує крохмаль на дисахарид мальтозу і інші невеликі глюкозні полімери, що містять від 3 до 9 молекул глюкози. Проте в ротовій порожнині їжа перебуває короткий час, і, ймовірно, до акта ковтання гідролізується не більше 5% крохмалю.
Тим не менш, перетравлення крохмалю іноді триває в тілі і дні шлунка ще протягом 1 год до тих пір, поки їжа не почне перемішуватися з шлунковим секретом. Потім активність амілази слини блокується соляною кислотою шлункового секрету, тому що амілаза як фермент в принципі не активна при зниженні рН середовища нижче 40. Незважаючи на це, в середньому до 30-40% крохмалю гідролізується в мальтозу перш, ніж їжа і супутня їй слина повністю перемішається з шлунковими секретами.
Перетравлювання вуглеводів у тонкому кишечнику. Переварювання панкреатичної амілазою. Секрет підшлункової залози, як і слина, містить велику кількість амілази, тобто він майже повністю схожий у своїх функціях з ос-амілазою слини, але в кілька разів ефективніше. Таким чином, не більше ніж через 15-30 хвилин після того, як химус з шлунку потрапить в дванадцятипалу кишку і змішається з соком підшлункової залози, фактично всі вуглеводи виявляються перевареними.
В результаті перш ніж вуглеводи вийдуть за межі дванадцятипалої кишки або верхнього відділу тонкої кишки, вони майже повністю перетворюються на мальтозу та /або в інші дуже невеликі полімери глюкози.
Гідроліз дисахаридів і невеликих полімерів глюкози в моносахариди ферментами кишкового епітелію. Ентероцита, що вистилають ворсинки тонкого кишечника, містять чотири ферменту (лактази, сахарази, мальтазуі декстриназ), здатних розщеплювати дисахариди лактозу, сахарозу і мальтозу, а також інші невеликі глюкозні полімери на їх кінцеві моносахариди. Ці ферменти локалізовані в мікроворсинки щіткової облямівки, що покриває ентероцита, тому дисахариди перетравлюються відразу, як тільки стикаються з цими ентероцитами.
Лактоза розщеплюється на молекулу галактози і молекулу глюкози. Сахароза розщеплюється на молекулу фруктози і молекулу глюкози. Мальтоза та інші невеликі глюкозні полімери розщеплюються на численні молекули глюкози. Таким чином, кінцевими продуктами переварювання вуглеводів є моносахариди. Всі вони розчиняються у воді і миттєво всмоктуються в портальний кровотік.
У звичайній їжі, В якій з усіх вуглеводів найбільше крохмалю, більше 80% кінцевого продукту перетравлення вуглеводів становить глюкоза, а галактоза і фруктоза - рідко більше 10%.
59.Всмоктування моносахаридів.
По суті, всі вуглеводи їжі всмоктуються у формі моносахаридів; тільки невеликі фракції всмоктуються у вигляді дисахаридів і майже не всмоктуються у формі великих вуглеводних сполук. Безсумнівно, кількість глюкози є найбільшим звсмоктуваних моносахаридів. Вважається, що вона при всмоктуванні забезпечує більше 80% всіх вуглеводних калорій. Це відбувається через те, що глюкоза є кінцевим продуктом перетравлення більшості вуглеводів їжі, крохмалю.
Решта 20% всмоктується моносахаридів складають галактоза і фруктоза; галактоза витягується з молока, а фруктоза є одним з моносахаридів, одержуваних при перетравленні тростинного цукру. Практично всімоносахариди всмоктуються активним транспортом. Спочатку обговоримо всмоктування глюкози.
Глюкоза переноситься натрієвих котранспортним механізмом. Глюкоза не може всмоктуватися при відсутності натрієвого транспорту через кишкову мембрану, оскільки всмоктування глюкози залежить від активного транспорту натрію.
У транспорті натрію через кишкову мембрану існують два етапи. Перший етап: активний транспорт іонівнатрію через базолатеральную мембрану епітеліальних клітин кишечника в кров, відповідно знижує вміст натрію всередині епітеліальної клітини. Другий етап: це зниження призводить до входу натрію в цитоплазму з просвіту кишечника через щіткова облямівку епітеліальних клітин за допомогою полегшеної дифузії.
Таким чином, іон натрію об'єднується з транспортним білком, але останній не буде переносити натрій у внутрішню поверхню клітини до тих пір, поки сам білок не об'єднається з іншим відповідним речовиною, наприклад з глюкозою. На щастя, глюкоза в кишечнику одночасно об'єднується з тим же транспортним білком, і потім обидві молекули (іон натрію і глюкоза) переносяться всередину клітини. Таким чином, низька концентрація натрію всередині клітини буквально «проводить» натрій всередину клітини одночасно з глюкозою. Після того, як глюкоза виявиться всередині епітеліальної клітини, інші транспортні білки і ферменти забезпечують полегшену дифузію глюкози через клітинну мембрану базолатеральную в міжклітинний простір, а звідти - в кров.
Отже, первинно активний транспорт натрію на базолатеральних мембранах кишкових епітеліальних клітин служить головною причиною руху глюкози через мембрани.
Всмоктування інших моносахаридів. Галактоза переноситься майже тим же механізмом, що і глюкоза. Однак транспорт фруктози не пов'язаний з механізмом переносу натрію. Замість цього фруктоза переноситься на всьому шляху всмоктування завдяки полегшеної дифузії через кишковий епітелій.
Велика частина фруктози при вході в клітку стає фосфорильованій, потім перетворюється на глюкозу і до попадання в кров транспортується вже у формі глюкози. Фруктоза не залежить від транспорту натрію, тому гранична інтенсивність її транспорту складає тільки близько половини транспорту глюкози або галактози.
60.Нервова та ендокринна регуляція вуглеводного обміну.
У регуляції вуглеводного обміну беруть участь нервова система, залози внутрішньої секреції, печінка і деякі вітаміни. Центри, які регулють вуглеводний обмін, розміщені в корі великих півкуль, проміжному і довгастому мозку, в гангліях вегетативної нервової системи. Фістульні досліди, проведені І.П. Павловим і його послідовниками на залозах харчового каналу, свідчать про головну роль центральної нервової системи в регуляції вуглеводного обміну, оскільки її функціональним станом визначається характер і інтенсивність секреції травних соків, ступінь глікогенеза і гліконеогенеза, швидкість реакцій глікогеноліза і гліколіза.
Існує прямий зв'язок між вмістом глюкози в крові і функціональним станом центральної нервової системи. Так, зменшення концентрації глюкози в крові викликає збудження відповідних нервових центрів в гіпоталамусі і довгастому мозку. Нервові імпульси по аксонах через прикордонний симпатичний стовбур поступають в сонячне сплетення, потім у печінку, де активується фосфорилаза, яка розщеплює глікоген до глюкозо-1-фосфата. Відновлюється рівень глюкози в крові.
У регуляції вуглеводного обміну беруть участь гормони гіпофіза, коркової і мозкової речовини наднирників, підшлункової і щитовидної залоз. Так, гормон підшлункової залози інсулін, потрапляючи з потоком крові в печінку, активує гексокіназу, гальмує активність глюкозо-6-фосфатази. Це призводить до утворення глюкозо-6-фосфата і глікогену. Глюкагон стимулює розпад глікогену шляхом активізації фосфорилази. Фосфорилаза активується гормонами наднирників – адреналіном і норадреналіном. Під їх впливом відбувається розпад глікогену до глюкози. Аналогічною дією володіють соматотропний гормон гіпофіза (СТГ), глюкокортикоїди коркового шару наднирників і гормон щитовидної залози тироксин. Так, СТГ гальмує фосфорилування глюкози і активує інсуліназу. Глюкокортикоїди активують глюкозо-6-фосфатазу, піруваткарбоксилазу, фосфопіруваткіназу, ферменти гліконеогенеза.
Посередником між гормонами і ферментами є циклічна форма АМФ (цАМФ), яка „вмонтована” в мембрани клітин. Її діяльність активується адреналіном, глюкагоном і AKTГ. При збільшенні вмісту цАМФ – зростає інтенсивність фосфороліза глікогену. Між дією інсуліну, адреналіну, глюкагона й інших гормонів встановлюється динамічна рівновага, яка регулюється центральною нервовою системою. Таким чином здійснюється загальна нейрогуморальна регуляція вуглеводного обміну.
Гепатоцити володіють здатністю регулювати насичення протікаючої через печінку крові глюкозою. Так, при високих концентраціях глюкози в крові вони можуть поглинати надлишок вуглеводу, а при низьких – віддавати його.
Майже всі вітаміни групи В беруть участь у регуляції вуглеводного обміну, особливо вітамін В1 (складова частина ТПФ), PP (входить до складу НАДФ+), біотин (входить до складу піруваткарбоксилази), пантотенова кислота (складова частина коензиму А) й ін.
61.Синтез глікогену. Розщеплення глікогену (глікогеноліз).
Гликоген способен синтезироваться почти во всех тканях, но наибольшие запасы гликогена находятся в печени и скелетных мышцах.
Накопление гликогена в мышцах отмечается в период восстановления после работы, особенно при приеме богатой углеводами пищи.
В печени гликоген накапливается только после еды, при гипергликемии. Такие отличия печени и мышц обусловлены наличием различных изоферментов гексокиназы, фосфорилирующей глюкозу в глюкозо-6-фосфат. Для печени характерен изофермент (гексокиназа IV), получивший собственное название – глюкокиназа. Отличиями этого фермента от других гексокиназ являются:
низкое сродство к глюкозе (в 1000 раз меньше), что ведет к захвату глюкозы печенью только при ее высокой концентрации в крови (после еды),
продукт реакции (глюкозо-6-фосфат) не ингибирует фермент, в то время как в других тканях гексокиназа чувствительна к такому влиянию. Это позволяет гепатоциту в единицу времени захватывать глюкозы больше, чем он может сразу же утилизовать.
Благодаря особенностям глюкокиназы гепатоцит эффективно захватывает глюкозу после еды и впоследствии метаболизирует ее в любом направлении. При нормальных концентрациях глюкозы в крови ее захват печенью не производится
Гликогенолиз - это распад гликогена , запасного полисахарида. Гликогенолиз происходит непрерывно, и за счет этого поддерживается постоянная концентрация глюкозы в крови в промежутках между приемами пищи. Во время ночного голодания около 75% глюкозы печеночного происхождения образуется путем гликогенолиза. 25% глюкозы печеночного происхождения образуется путем глюконеогенеза.
Расщепление гликогена включает несколько этапов. Сначала фосфорилаза последовательно отщепляет остатки глюкозы от концов боковых цепей гликогена При этом фосфорилируются альфа-1,4-связи и образуются молекулы глюкозо-1-фосфата . Фосфорилаза атакует боковую цепь до тех пор, пока не дойдет до точки, отстоящей на 4 остатка глюкозы от места ветвления (т. е. от альфа-1,6-связи). Затем вступает в действие система отщепления боковых цепей гликогена. Первый фермент этой системы - 4-альфа-D-глюканотрансфераза - отщепляет 3 из 4 остатков глюкозы и переносит их на свободный конец другой боковой цепи. Второй фермент - амило-1,6-глюкозидаза - отщепляет от главной цепи четвертый остаток глюкозы. После этого главная цепь гликогена становится доступной для фосфорилазы. В реакции, катализируемой амило-1,6-глюкозидазой, образуется глюкоза .
У здоровых людей при голодании до 8% гликогена печени расщепляется амило-1,6-глюкозидазой до глюкозы, а 92% гликогена расщепляется фосфорилазой до глюкозо-1-фосфата. Под действием фосфоглюкомутазы глюкозо-1-фосфат превращается в глюкозо-6-фосфат, при гидролизе которого в печени образуется глюкоза , поступающая в кровь.
Таким образом, основное количество глюкозы при голодании образуется в печени из глюкозо-6-фосфата.
62.Анаеробна фаза окислення вуглеводів. Гліколіз. Реакції субстратного фосфорилювання. Глікозил-трансферазні реакції.
В анаэробном процессе пировиноградная кислота восстанавливается до молочной кислоты (лактата), поэтому в микробиологии анаэробный гликолиз называют молочнокислым брожением. Лактат является метаболическим тупиком и далее ни во что не превращается, единственная возможность утилизовать лактат – это окислить его обратно в пируват.
Многие клетки организма способны к анаэробному окислению глюкозы. Для эритроцитов он является единственным источником энергии. Клетки скелетной мускулатуры за счет бескислородного расщепления глюкозы способны выполнять мощную, быструю, интенсивную работу, как, например, бег на короткие дистанции, напряжение в силовых видах спорта. Вне физических нагрузок бескислородное окисление глюкозы в клетках усиливается при гипоксии – при различного рода анемиях, при нарушении кровообращения в тканях независимо от причины.
Анаэробное превращение глюкозы локализуется в цитозоле и включает два этапа из 11 ферментативных реакций.
Первый этап гликолиза
Гликолиз. Первый этап
Первый этап гликолиза – подготовительный, здесь происходит затрата энергии АТФ, активация глюкозы и образование из нее триозофосфатов.
Первая реакция гликолиза сводится к превращению глюкозы в реакционно-способное соединение за счет фосфорилирования 6-го, не включенного в кольцо, атома углерода. Эта реакция является первой в любом превращении глюкозы, катализируется гексокиназой.
Вторая реакция необходима для выведения еще одного атома углерода из кольца для его последующего фосфорилирования (фермент изомераза). В результате образуется фруктозо-6-фосфат.
Третья реакция – фермент фосфофруктокиназа фосфорилирует фруктозо-6-фосфат с образованием почти симметричной молекулы фруктозо-1,6-дифосфата. Эта реакция является главной в регуляции скорости гликолиза.
В четвертой реакции фруктозо-1,6-дифосфат разрезается пополам фруктозо-1,6-дифосфат-альдолазой с образованием двух фосфорилированных триоз-изомеров – альдозы глицеральдегида (ГАФ) и кетозы диоксиацетона (ДАФ).
Пятая реакция подготовительного этапа – переход глицеральдегидфосфата и диоксиацетонфосфата друг в друга при участии триозофосфатизомеразы. Равновесие реакции сдвинуто в пользу диоксиацетонфосфата, его доля составляет 97%, доля глицеральдегидфосфата – 3%. Эта реакция, при всей ее простоте, определяет дальнейшую судьбу глюкозы:
при нехватке энергии в клетке и активации окисления глюкозы диоксиацетонфосфат превращается в глицеральдегидфосфат, который далее окисляется на втором этапе гликолиза,
при достаточном количестве АТФ, наоборот, глицеральдегидфосфат изомеризуется в диоксиацетонфосфат, и последний отправляется на синтез жиров.
Второй этап гликолиза
Гликолиз. Второй этап
Второй этап гликолиза – это освобождение энергии, содержащейся в глицеральдегидфосфате, и запасание ее в форме АТФ.
Шестая реакция гликолиза (фермент глицеральдегидфосфат-дегидрогеназа) – окисление глицеральдегидфосфата и присоединение к нему фосфорной кислоты приводит к образованию макроэргического соединения 1,3-дифосфоглицериновой кислоты и НАДН.
В седьмой реакции (фермент фосфоглицераткиназа) энергия фосфоэфирной связи, заключенная в 1,3-дифосфоглицерате тратится на образование АТФ. Реакция получила дополнительное название – реакция субстратного фосфорилирования, что уточняет источник энергии для получения макроэргической связи в АТФ (от субстрата реакции) в отличие от окислительного фосфорилирования (от электрохимического градиента ионов водорода на мембране митохондрий).
Восьмая реакция – синтезированный в предыдущей реакции 3-фосфоглицерат под влиянием фосфоглицератмутазы изомеризуется в 2-фосфоглицерат.
Девятая реакция – фермент енолаза отрывает молекулу воды от 2-фосфоглицериновой кислоты и приводит к образованию макроэргической фосфоэфирной связи в составе фосфоенолпирувата.
Десятая реакция гликолиза – еще одна реакция субстратного фосфорилирования – заключается в переносе пируваткиназой макроэргического фосфата с фосфоенолпирувата на АДФ и образовании пировиноградной кислоты.
Последняя реакция бескислородного окисления глюкозы, одиннадцатая – образование молочной кислоты из пирувата под действием лактатдегидрогеназы. Важно то, что эта реакция осуществляется только в анаэробных условиях. Эта реакция необходима клетке, так как НАДН, образующийся в 6-й реакции, в отсутствие кислорода не может окисляться в митохондриях.
63.Аеробне окислення вуглеводів.
Аеробне окислення вуглеводів - основний шлях утворення енергії для організму. Непрямий - дихотомічний і прямої - апотоміческій.
Прямий шлях розпаду глюкози - пентозном цикл - призводить до утворення пентоз і нагромадженню НАДФН 2. Пентозном цикл характеризується послідовним відщепленням від молекул глюкози кожного з її 6 атомів вуглецю з утворенням протягом одного циклу по 1 молекулі вуглекислого газу і води. Розпад всієї молекули глюкози відбувається протягом 6 повторюваних циклів.
Значення пентозофосфатного циклу окислення вуглеводів в обміні речовин велике:
1. Він поставляє відновлений НАДФ, необхідний для біосинтезу жирних кислот, холестерину і т.д. За рахунок пентозном циклу на 50% покривається потреба організму в НАДФН 2.
2. Постачання пентозофосфатов для синтезу нуклеїнових кислот і багатьох коферментів.
Реакції пентозном циклу протікають в цитоплазмі клітини.
При ряді патологічних станів питома вага пентозном шляху окислення глюкози зростає.
Непрямий шлях - розпад глюкози до вуглекислого газу і води з утворенням 36 молекул АТФ.
1. Розпад глюкози або глікогену до піровиноградної кислоти
2. Перетворення піровиноградної кислоти в ацетил-КоА
Окислення ацетил-КоА в циклі Кребса до вуглекислого газу і води
З 6 Н 12 О 6 + 6 О 2 ® 6 СО 2 + 6 Н 2 О + 686 ккал
У разі аеробного перетворення піровиноградна кислота піддається окислювальному декарбоксилюванню з утворенням ацетил-КоА, який потім окислюється до вуглекислого газу і води.
Окислення пірувату до ацетил-КоА, каталізується піруватдегідрогеназний системою і протікає в декілька стадій. Сумарно реакція:
Піруват + НАДН + НS-КоА ® ацетил-КоА + НАДН 2 + СО 2 реакція практично необоротна
Повне окислення ацетил-КоА відбувається в циклі трикарбонових кислот або циклі Кребса. Цей процес відбувається у мітохондріях.
Цикл складається з 8 послідовних реакцій:
У цьому циклі, молекула, яка містить 2 атоми вуглецю (оцтова кислота у формі ацетил-КоА) реагує з молекулою щавелевоуксусной кислоти, в результаті чого утворюється з'єднання з 6 атомами вуглецю - лимонна кислота. У процесі дегідрування, декарбоксилювання та підготовчої реакції лимонна кислота знову перетворюється на щавлевооцтову кислоту, яка легко з'єднується з іншою молекулою ацетил-КоА.
1) ацетил-КоА + оксалоацетата (щук) ® лимонна кислота
цітратсінтаза
2) лимонна кислота ® ізолімонная кислота
аконітатгідратаза
3) ізолімонная к-та + НАД ® a-кетоглутарової к-та + НАДН 2 + СО 2
ізоцитратдегідрогеназа
4) a-кетоглутарової к-та + НS-КоА + НАД ® сукцінілSКоА + НАДН 2 + СО 2
5) сукцініл-КоА + ГДФ + Фн ® бурштинова кислота + ГТФ + НS-КоА
сукцініл КоА синтетаза
6) бурштинова кислота + ФАД ® фумарова кислота + ФАДН 2
сукцинатдегідрогеназа
7) фумарова кислота + Н 2 О ® L яблучна кислота
фумаратгідратаза
8) малат + НАД ® оксалоацетата + НАДН 2
малатдегідрогеназа
Разом при розщепленні в тканинах молекули глюкози синтезується 36 молекул АТФ. Безсумнівно, це в енергетичному відношенні більш ефективний процес ніж гліколіз.
Цикл Кребса - загальний кінцевий шлях, яким завершується обмін вуглеводів, жирних кислот і амінокислот. Всі ці речовини включаються в цикл Кребса на тому чи іншому етапі. Далі відбувається біологічне окислення або тканинне дихання, головною особливістю якого є те, що воно протікає поступово, через численні ферментативні стадії. Цей процес відбувається в мітохондріях, клітинних органелах, в яких зосереджена велика кількість ферментів. У процесі беруть участь пірідінзавісімие дегідрогенази, флавінзавісімие дегідрогенази, цитохроми, коензим Q - убіхінон, білки, що містять негеміновое залізо.
Інтенсивність дихання управляється співвідношенням АТФ / АДФ. Чим менше це відношення, тим інтенсивніше відбувається дихання, забезпечуючи вироблення АТФ.
Також цикл лимонної кислоти є в клітці головним джерелом двоокису вуглецю для реакцій карбоксилювання, з яких починається синтез жирних кислот і глюконеогенез. Та ж двоокис вуглецю поставляє вуглець для сечовини і деяких ланок пуринових і піримідинових кілець.
Взаємозв'язок між процесами вуглеводного та азотистого обміну також досягаються за допомогою проміжних продуктів циклу лимонної кислоти.
Існує кілька шляхів, за якими проміжні продукти циклу лимонної кислоти включаються в процес липогенеза. Розщеплення цитрату призводить до утворення ацетил-КоА, що грає роль попередника у біосинтезі жирних кислот.
Ізоцітрат і малат забезпечують утворення НАДФ, який витрачається в наступних відновлювальних етапах синтезу жирів.
Роль ключового чинника, що визначає перетворення НАДН відіграє стан аденіннуклеотідов. Високий вміст АДФ і низьке АТФ свідчить про малий запасі енергії. При цьому НАДН втягується в реакції дихальної ланцюга, посилюючи пов'язані з запасанием енергії процеси окисного фосфорилювання. Зворотне явище спостерігається при низькому вмісті АДФ і високому АТФ. Обмежуючи роботу системи перенесення електронів, вони сприяють використанню НАДН в інших відновних реакціях, таких як синтез глутамату і глюконеогенез.
Біологічне окислення і відновлення.
Клітинним диханням називають сукупність протікають в кожній клітині ферментативних процесів, в результаті яких молекули вуглеводів, жирних кислот і амінокислот розщеплюються в кінцевому рахунку до вуглекислоти і води, а вивільнювана біологічно корисна енергія запасається клітиною і потім використовується. Багато ферментів, що каталізують ці реакції, знаходяться в стінках і кристах мітохондрій.
Відомо, що на всі прояви життя - зростання, рух, подразливість, самовідтворення - клітина повинна витрачати енергію. Всі живі клітини отримують біологічно корисну енергію за рахунок ферментативних реакцій, в ході яких електрони переходять з одного енергетичного рівня на інший. Для більшості організмів кінцевим акцептором електронів служить кисень, який реагуючи з електронами і іонами іонами водню утворює молекулу води. Передача електронів кисню відбувається за участю укладеної в мітохондріях ферментної системи - системи перенесення електронів. АТФ служить "енергетичної валютою" клітини і використовується у всіх реакціях обміну, вимагають витрати енергії. Багаті енергією молекули не переміщуються вільно з однієї клітини в іншу, а утворюються в тому місці. де вони повинні бути використані. Наприклад, макроергічні зв'язку АТФ, що служать джерелом енергії для реакцій, пов'язаних з м'язовим скороченням, утворюються в самих м'язових клітинах.
Процес, в якому атоми або молекули втрачають електрони (е -) називають окисленням, а зворотний процес - додавання (приєднання) електронів до атома або молекули - відновленням.
Простим прикладом окислення і відновлення служить оборотна реакція - Fe 2 + ® Fe 3 + + e -
Реакція йде вправо - окислення, відібрання електрона
Вліво - відновлення (приєднання електрона)
Всі окисні реакції (при яких відбувається відібрання електрона) повинні супроводжуватися відновленням - реакцією в якій електрони захоплюються який-небудь іншою молекулою, тому що вони не існують у вільному стані.
Передача електронів через систему перенесення електронів відбувається шляхом ряду послідовних реакцій окиснення-відновлення, які в сукупності носять назву біологічного окислення. Якщо при цьому енергія потоку електронів накопичується у формі макроергічних фосфатних зв'язків (
Ф), то процес називається окислювальним фосфорилюванням. Специфічні сполуки, які утворюють систему перенесення електронів і які поперемінно окислюються і відновлюються, називаються цитохромами. Кожен з цитохромів представляє собою білкову молекулу, до якої приєднана хімічна угруповання, звана гемом, в центрі гема знаходиться атом заліза, який поперемінно окислюється і відновлюється, віддаючи або приймаючи один електрон.
Всі реакції біологічного окислення відбуваються за участю ферментів, причому кожен фермент строго специфічний і каталізує або окислення, або відновлення цілком певних хімічних сполук.
Ще один компонент системи перенесення електронів - убіхінон або кофермент Q, здатний приєднувати або віддавати електрони.
Мітохондрії містяться в цитоплазмі клітини і являють собою мікроскопічні паличкоподібні або іншої форми освіти, кількість яких в одній клітці становить сотні або тисячі.
Що ж являють собою мітохондрії, яке їх будова? Внутрішній простір мітохондрій оточене двома безперервними мембранами, причому зовнішня мембрана гладка, а внутрішня утворює численні складки або Крісті. Внутрімітохондріальное простір, обмежений внутрішньою мембраною, заповнено так званим матриксом, який приблизно на 50% складається з білка і має дуже тонку структуру. У мітохондріях зосереджена велика кількість ферментів. Зовнішня мембрана мітохондрій не містить жодного з компонентів ланцюга дихальних каталізаторів. Виходячи з ферментного набору зовнішньої мембрани, поки важко відповісти на запитання, в чому полягає її призначення. Можливо вона грає роль перегородки, що відокремлює внутрішню, робочу частину мітохондрії від всього іншого простору клітини. З внутрішньою мембраною пов'язані ферменти дихального ланцюга. Матрикс містить ряд ферментів циклу Кребса.
Звільнившись у ході процесів окислення в циклі Кребса водень надходить у ланцюг біологічного окислення, де окислюється молекулярним киснем і відбувається звільнення енергії та освіта води. Це ланцюг послідовних окисно-відновних реакцій, що каталізуються специфічними ферментами. Перенесення водородов здійснюється за допомогою коферментів НАД, ФАД, КоQ і групи цитохромів.
З енергетичної точки зору освіту води характеризується звільненням великої кількості енергії. Відомо, що при безпосередньому окисленні водню киснем утворюється гримучий газ і виділяється одномоментно 57 ккал / моль енергії (вибух). В організмі цього не трапляється тому, що водень в ланцюзі біологічного окислення, переходячи від одного переносника до іншого поступово звільняє укладену в ньому енергію. Відбувається поетапний перехід електронів водню з більш високого на більш низький енергетичний рівень, в результаті чого електрони переходять до кисню енергетично збідненими. Звільнена у цьому енергія частково витрачається у вигляді тепла, а частково накопичується в макроергічних сполуках, основним з яких в організмі є АТФ.
Значна частина біологічної енергії у формі АТФ генерується ферментними системами, що знаходяться у внутрішній мембрані мітохондрій, проте велика частина енергії, використовуваної в клітці, потрібна для процесів, що протікають поза мітохондрій: АТФ використовується при синтезі білків, жирів, вуглеводів, нуклеїнових кислот та інших сполук, при перенесенні речовин через плазматичну мембрану, при проведенні нервових імпульсів і скорочення м'язових волокон. У результаті метаболічних реакцій, що протікають в клітині, тільки близько половини енергії, укладеної в молекулах поживних речовин, запасається у вигляді АТФ. Частина енергії розсіюється у вигляді тепла.
Таким чином, біологічне окислення - сукупність реакцій окислення, що протікають у всіх живих клітинах. Основна функція даного процесу - забезпечення організму енергією в доступній для використання формі (АТФ). Принципова особливість біологічного окислення або тканинного дихання те, що воно протікає поступово, через численні ферментативні стадії, тобто відбувається багаторазова передача протонів і електронів від донора до іншого - акцептор. У аеробів кінцевим акцептором електронів і протонів служить кисень.
У перенесенні електронів від субстратів до молекулярного кисню беруть участь:
1) пірідінзавісімие дегідрогенази, коферментами для яких служать або НАД або НАДФ.
2) флавінзавісімие дегідрогенази, роль простетичної групи грають флавінаденіндінуклеотіда і флавінаденінмононуклеотід (ФАД, ФМН).
3) цитохроми, що містять як простетичної групи железопорфіріновую кільцеву систему.
4) коензим Q - убіхінон
5) білки, що містять негеміновое залізо
До числа пірідінзавісімих дегідрогеназ відносяться понад 150 ферментів, які каталізують відновлення НАД і НАДФ різними органічними субстратами.
Ці реакції можна зобразити так:
субстрат-Н 2 + НАД (НАДФ) ® субстрат (окісл.) + НАДН 2 (НАДФН 2)
Окислені і відновлені піридиннуклеотидів володіють характерними спектрами поглинання в ультрафіолетовій області, окислюються при 260 нм, відновлюються при 340 нм. Це властивість даних коферментів дозволяє використовувати спектрофотометричні методи аналізу для швидкого кількісного визначення ряду субстратів.
Кофермент НАД знаходиться в мітохондріях, НАДФ - в цитоплазмі.
Відновлені піридиннуклеотидів НАДН і НАДФН не можуть реагувати з киснем, їх електрони повинні пройти через проміжні акцептори системи перенесення електронів (цитохроми) перш ніж вони зможуть бути передані на кисень. Фермент, безпосередньо переносить електрон на кисень - оксидаза, а бере участь у відібранні електрона від субстрату і перенесення на акцептор-дегідрогеназа.
Наступним акцептором атомів водню є група флавінових ферментів, які здійснюють перенесення водородов (протонів і електронів) від відновлених НАД і НАДФ.
НАДН 2 + флавінових фермент (ФАД) ® НАД + ФАДН 2
Окислені форми володіють характерними спектрами поглинання. ФМН і ФАД мають мах поглинання при 450 нм. При відновленні смуга в спектрі зникає.
Подальше перенесення електронів від коензиму Q або відновленої форми флавінових ферменту на кисень здійснює система цитохромів. Дана система складається з ряду гемосодержащіх білків (гемопротеідов). У процесі тканинного дихання найбільш важливу роль відіграють цитохроми В, С 1, С, АА 3. Всі вони мають простетичної геміновую групу, близьку до гему гемоглобіну. Ц., гемвмісного білки, відрізняються один від одного не тільки своїми простетичними групами, але і білковими компонентами. У ході каталітичного процесу валентність міститься в цитохромах заліза оборотно змінюється Fe 2 + ® Fe 3 +
Ц. В, С 1, С, виконують функції. проміжних переносників електронів, а АА 3 - цитохромоксидази - термінальний дихальний фермент, безпосередньо взаємодіє з киснем.
Всі цитохроми особливо у відновленій формі мають характерні спектри поглинання. Величини окисно-відновного потенціалу в різних цитохромів також неоднакові.
Убіхінон, кофермент Q - подібно НАД і ФАД може грати роль проміжної переносника водневих атомів (протонів і електронів).
Інтенсивність дихання управляється ставленням АТФ / АДФ. Чим менше це відношення, тим інтенсивніше відбувається дихання, забезпечуючи вироблення АТФ - дихальний контроль (зміна концентрації АДФ).
Процес сполучення тканинного дихання і фосфорилювання отримав назву окислювального фосфорилювання.
Компоненти дихального ланцюга (а також молекули, що беруть участь у сполученні цього процесу з утворенням АТФ) знаходяться на внутрішній мітохондріальній мембрані у вигляді високоупорядоченних ансамблів. Нікотінаміддінуклеотідние коферменти і деякі ферменти циклу трикарбонових кислот вмонтовані в білковий шар мембрани. Металлофлавопротеіди, убіхінон і цитохроми пов'язані з ліпідними її структурами.
64.Пентозофосфатний шлях розпаду вуглеводів та його біологічна роль.
Пентозофосфатний шлях (ПФШ, гексозомонофосфатний шунт, фосфоглюконатний шлях) — метаболічний шлях перетворення глюкози, потрібний для отримання відновних еквівалентів НАДФH, що використовуються у процесах біосинтезу багатьох речовин, зокрема жирних кислот та холестерину, та рибозо-5-фосфату, який є важливим попередником в утворенні нуклеотидів. Відбувається у цитоплазмі клітин прокаріот, грибів, рослин та тварин.
У фотосинтезуючих організмів пентозофосфатний шлях має багато спільних ферментів із циклом Кальвіна
ПФШ відбувається у цитозолі клітин[3][4], він має кілька біологічних функцій. Однією з них є продукування рибозо-5-фосфату, що використовується для синтезу нукелотидів, які входять до складу РНК та ДНК, а також коферментів, таких як АТФ, НАД, ФАД, кофермент А. Через це ПФШ активно функціонує у клітинах, що швидко діляться: кісткового мозку, шкіри, слизової оболонки кишківника, а також пухлин
Інші моносахариди, що утворюються у ПФШ також можуть використовуватись клітинами, наприклад, у багатьох мікроорганізмів еритрозо-4-фосфат включається у метаболічні шляхи біосинтезу ароматичних амінокислот та вітаміну B6. Рибулозо-5-фосфат може перетворюватись до рибулозо-1,5-бісфосфату, який є акцептором вуглекислого газу у процесі фотосинтезу. Бактерії, що ростуть на середовищі багатому пентозами, використовують пентозофосфатний шлях з метою отримання гексоз, наприклад глюкози необхідної для синтезу пептидоглікану
В багатьох тканинах найбільше значення серед продуктів ПФШ мають не моносахариди, а НАДФH, необхідного у процесах відновного біосинтезу та для подолання шкідливого впливу активних форм кисню. Ферменти цього метаболічного шляху дуже поширені у тканинах, де інтенсивно відбувається біосинтез жирних кислот (печінка, молочні залози під час лактації, жирова тканина) або холестерину та інших стероїдів (печінка, статеві залози, кора наднирників)[5]. Наприклад, було встановлено, що 30 % окиснення глюкози у печінці відбувається за пентозофосфатним шляхом
ПФШ також активно протікає у клітинах, що постійно перебувають у прямому контакті з киснем: еритроцитах та клітинах рогівки і кришталика. Тут він потрібний для підтримання відновного середовища (високого співвідношення НАДФH/НАДФ+ та відновлений глутатіон/окиснений глутатіон), яке може протидіяти окисному ушкодженню ненасичених жирних кислот (перикисному окисенню ліпідів), білків та інших чутливих молекул.
|
|
|
Скачать 370.05 Kb.