Основы биологической химии предисловие

• Название: Основы биологической химии предисловие
• Анкор: Biokhimia.doc
• Дата: 20.05.2017
• Размер: 7.85 Mb.
• Имя файла: Biokhimia.doc
• Тип: Документы; #8022
• страница: 10 из 15

Глава 9. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ

Биологическое окисление – это совокупность реакций окисления органических веществ в живых клетках. Субстраты окисления образуются в ходе катабализма белков, углеводов и липидов. Наиболее распростра­ненный типом реакций биологического окисления являются реакции де­гидрирования, протекающие с участием дегидрогеназ.

Если акцептором водорода в этих реакциях служит не кислород, а другой субстрат, то такие реакции называют анаэробным окислением: если же акцептор водорода - кислород и образуется вода, то такие реак­ции биологического окисления называют аэробный биологический окис­лением или тканевым дыханием.

Субстраты дегидрирования образуются вне митохондрий, но за­тем транспортируются внутрь митохондрий, где происходит биологическое окисление. Этот процесс протекает с полным освобождением энергии, которая аккумулируется в основном в фосфатных связях АТФ. В ми­тохондриях производится основная часть всей энергии клетки, поэтому их образно называют энергетическими станциями клеток.

Аэробное биологическое окисление, или тканевое дыхание, в от­личие от обычного горения органических веществ в неживой системе протекает постепенно и включаете себя рядпоследовательных ферментативных процессов передачи атомов водорода (протонов и электронов) от донора к акцептору (сответствующие коферменты) и в конечном итоге на кислород.

Тканевое дыхание можно наблюдать, используя срезы тканей. Если срезы инкубировать в растворе глюкозы в замкнутом сосуде; то в растворе происходит убыль глюкозы, а в воздухе над раствором - убыль кислорода и увеличение содержания оксида углерода СО₂. Интенсивнссгь тканевого дыхания в разных тканях неодинакова (табл.13).


Таблица 13. Потребление кислорода Q (мкл/ч на 1мг сухого вещества ткани) в разных тканях

Ткань	Q	Ткань	Q
Сетчатка глаза	31	Легкие	8
Почки	21	Поджелудочная железа	6
Печень	15	Сердечная мышца (в покое)	5
Кора головного мозга	12	Клеточные мышцы (в покое)	3
Надпочечники	10	Кожа	0,8

Русский ботаник и биохимик В.И. Палладии установил, что био­логическое окисление имеет две фазы: анаэробную, протекающую без участия О₂ воздуха, и аэробную, в которой участвует кислород воздуха. В ходе 1-й фазы углерод окисляемых веществ превращается в углекислый газ за счет кислорода самих окисляемых веществ и кислорода воды. Во время второй фазы вдыхаемый О₂ воздуха используется для синтеза воды за счет водорода окисляемых субстратов.

На основании вышесказанного, превращение, например, глюкозы в конечные продукты катаболизма можно представить уравнениями (а) и (b), которые в сумме дают уравнение (с):

Анаэробная фаза С₆Н₁₂О₆ + 6Н₂О + 12R → 6СО₂ + 12RH₂ (а)

Аэробная фаза 12RH₂ + 6О₂→ 12R + 12Н₂О (b)

____________________________________________________________________

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ + 6СО₂ + 6 Н₂О + 2850 кДж/моль (с)

Уравнение (а) отражает суммарный результат сложного метабо­лического окисления глюкозы, который включает много реакций и про­межуточных продуктов (гликолиз). Некоторые промежуточные продукты являются субстратами дегидрогеназ: они дегидрируются, причем акцеп­торами водорода (в уравнениях они обозначены «R») служат коферменты - переносчики водорода. Уравнение (b) отражает саму дыхательную цепь - перенос водорода с коферментов на потребляемый из воздуха кисло­род. Это тоже многостадийный процесс, совершающийся при участии специальной ферментной системы в митохондриях.

9.2. Дыхательная цепь

Окисление субстратов в процессе дыхания можно представить как перенос электронов и протонов (т.е. в целом атомов водорода) от органических веществ на кислород:



Водород от первичных доноров, образовавшихся в ходе катабо­лизма белков, липидов и углеводов, вводится в дыхательную цепь с уча­стием НАД- зависимых и ФАД- зависимых дегидрогеназ (рис. 23, реакции "а" и "b").



Рис. 23. Митохондриальная дыхательная цепь

ФАД- зависимые дегидрогеназы переносят водород на убихинон (Q), а НАД- зависимые дегидрогеназы - на НАД* (образуется НАД•Н+Н⁺). Далее с (НАД•Н+Н⁺) водород передается тоже на убихинон под действи­ем НАД - дегидрогеназы:

НАД•Н+Н⁺ + Q → НАД⁺ + QH₂.

НАД - дегидрогеназа представляет собой ФМН - содержащий фермент. В процессе реакции водород сначала присоединяется к ФМН, соединенному с ферментом, а затем передается на убихинон.

На стадии образования QH₂ сливаются два потока атомов водо­рода, вводимых в дыхательную цепь НАД- зависимыми дегидрогенвзами и ФАД- зависимыми дегидрогеназами.

Затем в дыхательной цепи пути электронов и протонов расходят­ся с помощью цитохромов, которые представляют собой гемопротеины (геминовые ферменты). Атом железа в геме цитохромов (на рис 23 они обозначены латинскими буквами b, с₁, с, а, а₃) может менять валент­ность, присоединяя или отдавая электрон (Fe²⁺/Fe³⁺).

Комплекс цитохромов "b – с₁" функционируют как QH₂ - дегидро­геназа, он осуществляет перенос электронов с QH₂ на цитохром с

QH₂ + 2с(Fe³⁺)→ Q + 2Н⁺ + 2c(Fe²⁺)

Электроны последовательно переходят через атомы железа ци­тохромов "b" и "c₁", а затем поступают на цитохром «с»; протоны при этом освобождаются в раствор. Коэффициент 2 перед цитохромом "с" обу­словлен тем, что с QH₂ передаются два электрона, а цитохромы за один цикл переносят по одному электрону.

Комплекс цитохромов "а-а₃" действует как цитохромоксидаза, содержащая помимо гема ионы меди, которые тоже участвуют в переносе электронов, меняя валентность (Cu²⁺/Cu⁺). Этот комплекс цитохромов переносит электроны с цитохрома «с» на кислород. Электроны последовательно присоединяются к ионам железа (III) цитохромов "а" и "а₃", затем к иону меди (Сu²⁺) и, наконец, попадают на кислород:



Кислород воздуха, поступающий в митохондрии из крови, связы­вается с ионом железа в геме цитохрома а₃ в форме молекулы О₂. Затем каждый из атомов молекулы последовательно присоединяет по два элек­трона и по два протона, превращаясь в молекулу воды.

О₂ + 4 е + 4Н⁺ → 2Н₂О

Таким путем через дыхательную цепь атомы водорода пищевых вещств достигают конечного акцептора - атмосферного кислорода. В организме человека в результате тканевого дыхания образуется 300-400 мг воды за сутки (метаболическая вода).

Локализация в клетках дыхательной цели. Все ферменты тканевого дыхания связаны главным образом с митохондриями. Митохон­дрии содержатся в цитоплазме клетки и имеют чаше всего вид микроско­пических палочек. Для одного и того же типа клеток число митохондрий приблизительно одинаково и постоянно; в разных клетках их может быть сотни или тысячи. Внутреннее пространство митохондрии окружено дву­мя мембранами, причем наружная - гладкая, а внутренняя имеет много­численные складки. Внутри митохондрий - матрикс, состоящий на 50 % из белка. Размер митохондрий 2-3 мкм в длину и около 1 мкм в ширину, но иногда митохондрии могут иметь иную форму.

В митохондриях сосредоточено большое количество различных ферментов. Ферменты цепи биологического окисления сосредоточены в основном во внутренней мембране и частично в матриксе.
9.3. Окислительное фосфорилирование

Чрезвычайно важной функцией цепи дыхательных катализаторов во внутренней мембране митохондрий наряду с переносом атомов водо­рода от субстратов на кислород является аккумуляция части освобож­дающейся энергии (более 50 %) в фосфатных связях макроэргических соединений и прежде всего в АТФ.

Процесс сопряжения тканевого дыхания и фосфорилирования получил название окислительного фосфорилирования. Окислительное фосфорилирование - главный путь синтеза АТФ из АДФ. При этом АДФ фосфорилируется неорганическим фосфатом (фосфорная кислота):

АДФ + Н₃РО₄+ Энергия → АТФ + НА

Определено, что при переносе одной пары электронов от (НАД•Н+Н⁺) к О₂ образуется три молекулы АТФ, а от ФАД - две молекулы АТФ. Иначе говоря, в расчете на каждый атом поглощенного кислорода митохондрии образуют максимум три молекулы АТФ. Отношение количе­ства связанной Н₃РО₄ к количеству поглощенного кислорода называют коэффициентом фосфорилирования и обозначают Р/О (Р/О ≤ 3). ФАД-зависимые дегидрогеназы переносят водород с первичных доноров прямо на убихинон, минуя первый пункт сопряжения. В этом случае коэффици­ент Р/О не может быть больше двух. Коэффициент Р/О отражает лишь теоретический максимум синтеза АТФ, так как не вся энергия электрохи­мического потенциала используется для синтеза АТФ.

Человек за сутки потребляет из воздуха около 600л (27 моль) кислорода. Подавляющая часть кислорода (90 %) восстанавливается до воды при участии дыхательных цепей. Если считать что в митохондриях восстанавливается 25 моль О₂ (т.е. 50 моль атомарного кислорода), а коэффициент Р/0=2,5, то в митохондриях синтезируется 50·25=125 моль АТФ, то есть около 62 кг АТФ в сутки. Такое же количество АТФ и распадается за сутки: эта величина характеризует не общую массу АТФ в орга­низме, а скорость кругооборота АТФ-АДФ. Общее содержание АТФ в ор­ганизме невелико - порядка 20-30 г. Каждая молекула АТФ расщепляется и вновь синтезируется 2,5 тысячи раз в сутки, так что средняя продолжи­тельность ее жизни меньше 1 минуты.

Интенсивность дыхания управляется отношением АТФ/АДФ. Чем меньше это отношение, тем интенсивнее дыхание, чтобы обеспечить син­тез АТФ. В дальнейшем энергия, заключенная в АТФ, расходуется на со­вершение работы клетками организма, часть теряется вформе теплоты. Иногда дыхание не связано с окислительным фосфорилированием, в этом случае освобождающаяся энергия рассеивается в виде теплоты. При на­пряженной физической работе интенсивность дыхания высока, синтези­руется и расходуется много АТФ, становится жарко: теплоты образуется столько, что включаются специальные физиологические механизмы для удаления ее избытка из организма. Наоборот, при снижении температуры в теле включается механизм дрожания для увеличения продукции тепло­ты.

В состоянии покоя: лежачем или сидячем положении - расходо­вание энергии на внешнюю работу минимально, теплопродукция стано­вится главным путем расхода энергии организмом. Такое состояние об­мена энергией называют основным обменом. Об интенсивности основного обмена можно судить по величине теплопродукции. Для взрослого чело­века она равна 350 кДж/ч; это соответствует мощности 100 - ваттной лампочки. В других состояниях энергетические траты складываются из энергии основного обмена и энергии, затрачиваемой на совершение ра­боты: при пешей прогулке расходуется -450 кДж/ч , при тяжелой физи­ческой работе - до 2000 кДж /ч. Калорийность пищи должна быть равна этим тратам; кроме того увеличивается и потребление кислорода.

Таким образом, живая клетка нуждается в АТФ непрерывно, за­пасов АТФ в клетке практически не создается. Следовательно, клетка непрерывно должна получать пищевые вещества и кислород. При голо­дании в качестве источника энергии используются собственные вещества тканей, энергетический обмен снижается. Резервов пищевых веществ в организме хватает на несколько недель голодания, но при лишении ки­слорода уже через 2-3 минуты наступает смерть. Гипоэнергетические состояния могут быть связаны с гиповитаминозами (так как в процессах энергетического обмена участвуют коферменты, содержащие витамины B₁, В₂, В₃, B₅, биотин и др.), с недостатком О₂ в воздухе, с нарушением кровообращения (нарушение транспорта кислорода вследствие пороков сердца, кровопотерь, спазмов сосудов, тромбов и др.), с нарушением функций митохондрий.

Глава 10. ОБМЕН УГЛЕВОДОВ

Как уже было сказано в главе 8, углеводы наряду с жирами и белками являются основными веществами, за счет окисления которых организм человека обеспечивается энергией. Половину необходимой энергии дают углеводы. Распад органических соединений в результате поглощения кислорода (реакций окисления до СО₂ и Н₂О) мы назвали биологическим окислением или тканевым дыханием. При этом, во-первых, в пище человека нет готовых первичных доноров водорода - они образуются в ходе катаболизма пищевых веществ; во-вторых, как уже было показано, субстраты не могут окисляться до СО₂ и H₂О непосредст­венно кислородом в токе крови. Перенос электронов и Н⁺ от субстрата на О₂ идет через целый ряд последовательных ферментативных реакций - дыхательную цепь - локализованных и завершающихся в митохондриях, являющихся как бы основными "энергетическими станциями" для живых организмов (см. главу 9).
Куда-то перенести. В ходе катаболизма пищевых веществ можно выделить два вида путей: специфические пути катаболизма, разные для разных классов ве­ществ, и общий путь катаболизма, который является единственным про­должением специфических путей (рис. 24).



Рис. 24. Схема катаболизма основных пищевых веществ: 1-5 - специфические пути катаболизма; 6,7 - общий путь катаболизма

Как видно из рис. 24, в результате переваривания пищи образуются всего два главных вещества: пировиноградная кислота и ацетил-КоА. К общему пути катаболизма относят окислительное декарбоксилирование пирувата и цикл Кребса. Именно в общем пути катаболизма об­разуется основная масса первичных доноров водорода для дыхательной цепи, хотя частично они образуются и в специфических путях катабо­лизма. Общий путь катаболизма сопряжен с дыхательной цепью, это две части единого процесса, неотделимые друг от друга.

Рассмотрим более подробно метаболизм углеводов (полисахари­дов).
10.1. Переваривание углеводов

Основным источником углеводов организма служат углеводы пищи: прежде всего крахмал, а также сахароза и лактоза. Под действие ферментов - гликозидаз (класс гидролаз) углеводы в пищеварительном тракте, включающем рот, пищевод, желудок, тонкие и толстые кишки, распадаются на моносахариды. Во рту пища смачивается слюной и меха­нически измельчается; под действием фермента слюны - амилазы (α-1,4-глюкозидазы) начинается переваривание крахмала, но не до кон­ца, так как пища во рту находится недолго и поступает далее через пи­щевод в желудок, где действие амилазы, активной при рН 6,2-7,8, угне­тается кислотой желудка (рН=1). Секреции желудка не содержат ферментов, гидролизующих углеводы; здесь идет, в основном, гидролиз бел­ков. Основным местом переваривания углеводов является тонкий кишеч­ник. Сок поджелудочной железы, содержащий амилазу, и желчь из желчного пузыря поступают в верхнюю часть тонких кишок (двенадцати перстную кишку), нейтрализуют пищевую кашицу до рН 6-8 и создают среду, благоприятную для дальнейшего гидролиза крахмала.

Основным продуктом действия кишечной амилазы на крахмал является дисахарид мальтоза:



Кишечный сок, вырабатываемый железами в стенках кишок, содержит ферменты - лактазу, сахаразу и мальтазу, которые гидролизуют соответствующие дисахариды до моносахаридов по схемам:

_





Клетчатка не переваривается ферментами желудочно-кишечного тракта, так как у человека нет фермента β-гюкозидазы (который есть у животных). Вместе с тем, присутствие оптимальных количеств клетчатки в пище способствует лучшему пищеварению, так как способствует интен­сификации выделения желудочного сока. Кроме того, при исключении клетчатки из пищи нарушается формирование каловых масс.

Избыточное количество лактозы и сахарозы выводится через почки. Образовавшиеся моносахариды: глюкоза, фруктоза, галактоза - активно всасываются через стенки кишок в кровь и по системе воротной вены поступают в печень, где ферменты катализируют их взаимные пре­вращения. Главным моносахаридом, образующимся в результате перева­ривания пищи, и циркулирующим в кровеносной системе в значительных количествах, является глюкоза, метаболизм которой мы сейчас и рас­смотрим.
10.2. Метаболизм глюкозы

Транспорт глюкозы из крови в клетки зависит от гормона под­желудочной железы инсулина. При пищеварении концентрация глюкозы в крови повышается (алиментарная гиперглюкоземия), и это стимулирует секрецию гормона в кровь. Инсулин увеличивает проницаемость плазма­тической мембраны клеток для глюкозы, в результате чего ускоряется перенос глюкозы из крови в клетки. Поступление глюкозы в клетки зави­сит от инсулина во всех органах, кроме мозга и печени: скорость поступ­ления глюкозы в клетки этих органов определяется ее концентрацией в крови.

Общая схема метаболизма глюкозы представлена на рис. 25.



Рис.25. Схема метаболизма глюкозы

Первым химическим превращением глюкозы в клетках является ее фосфорилирование, в результате взаимодействия с АТФ:



Образующийся глюкозо-6-фосфат не способен проходить через клеточные мембраны - глюкоза как бы «запирается» в клетке в результа­те фосфорилирования. Возможно и обратное превращение глюкозо-6-фосфата в глюкозу при действии глюказо-6-фосфатазы:

Глюкозо-6-фосфат + H₂O → глюкоза + Н₃РО₄.

Данный фермент есть в печени, в почках, в клетках эпителия кишечника. В других органах и тканях его нет, и, следовательно, проникновение глюкозы в клетки этих органов необратимо. Глюкозо-6-фосфат может обратимо превратиться в глюкозо-1-фосфат при участии фосфоглюкомутазы.

Галактоза и фруктоза, поступающие из кишечного тракта, под действием соответственно галактокиназы и фруктокиназы фосфорилируются по первому углеродному атому:

Галактоза + АТФ → Галактозо-1-фосфат + АДФ;

Фруктоза + АТФ → Фоктозо-1-фосфат + АДФ.
10.3. Биосинтез гликогена

Избыток глюкозы в организме накапливается в виде гликогена, образующегося в процессе гликогенеза практически во всех клетках ор­ганизма, но больше всего в клетках печени и мышц (в печени - от 2 до 6%, в мышцах - от 0,5 до 2%). Синтез гликогена представляет собой мно­гостадийный процесс (рис.26).



Рис. 26. Схема синтеза гликогена

Донором глюкозных остатков при биосинтезе гликогена служит уридиндифосфатглюкоза (УДФ-глюкоза) – продукт взаимодействия глюкозо-1фосфата и УТФ:



Акцептором глюкозных остатков с УДФ - глюкозы являются олигосахариды из трех или более остатков глюкозы (так называемый "затра­вочный" глмкоген):



Образующийся УДФ затем вновь фосфорилируется в УТФ за счет АТФ, и, таким образом, весь цикл превращений глюкозо-1-фосфата на­чинается сначала.

Глюкоза растворима в воде, а образующийся гликоген образует в воде коллоидный раствор. В клетке он находится не в растворенном состоянии, а в виде гранул диаметром 40-200 нм, включающих одну или несколько молекул.
10.4. Распад гликогена

В процессе гликогенеза клетки забирают глюкозу из крови, а печень восполняет недостаток глюкозы посредством гликогенолиза, т.е. расщепления гликогена:



Глюкозный остаток отщепляется в виде глюкозо-1-фосфата, по­следний под действием фосфоглюкомутазы превращается в глюкозо-6-фосфат, дальнейшая судьба которого в печени и вмышцах неодинакова. В печени глюкозо-6-фосфат при участии глюкозо-6-фосфатазы превра­щается в глюкозу (сущность глюкогенеза), глюкоза выходит в кровь и используется в других органах и тканях. В мышцах нет фермента - фосфатазы, поэтому глюкозо-6-фосфат используется здесь же в мышцах, распадаясь аэробным или анаэробным путем. На рис.27 показаны общие пути синтеза и распада гликогена.

Итак, глюкоза циркулирует в крови и накапливается в печени и мышечных клетках в виде гликогена. Гликоген печени может гидролизоваться для снабжения крови глюкозой, гликоген мышечных тканей до глюкозы не гидролизуется. Можно считать, что сохранение постоянства концентрации глюкозы в крови прежде всего, есть результат одновре­менного протекания двух процессов: поступление глюкозы в кровь из печени (глюкогенез) и потребление ее из крови тканями, где она исполь­зуется в основном как энергетический материал.



Рис. 27. Схема метаболизма гликогена:

1-фосфорилаза; 2-фосфоглюкомутаза; З-глюкозо-6-фосфатаза; 4-гексокиназа; 5-глюкозо-1-фосфатуридилтрансфераза; 6-гликогенсинтетаза
В тканях, в том числе и в печени, существует два основных пути распадаглюкозы: анаэробный (не требующий присутствия кислорода) и аэробный (для протекания которого необходим кислород).
10.5. Анаэробный гликолиз

Анаэробный гликолиз - сложный ферментативный процесс последовательных превращений глюкозы, протекающий в тканях человека и животных без потребления кислорода (рис.28).

Обратимое превращение пировиноградной кислоты в молочную катализируется лактатдегидрогеназой:

Пировиноградная кислота

Молочная кислота

Суммарный результат гликолиза выражается следующим уравнением: С₆Н₁₂О₆ + 2Н₃РО₄ + 2АДФ = 2С₃Н₆О₃ + 2АТФ + 2Н₂О

Глюкоза

Молочная кислота

Таким образом, чистый выход АТФ при анаэробном гликолизе - 2 моль АТФ на 1 моль глюкозы. Именно благодаря анаэробному гликолизу организм человека и животных может определенный период времени осуществлять ряд физиологических функций в условиях недостаточности кислорода.

Данный процесс у бактерий называют молочнокислым броже­нием: он лежит в основе приготовления кисломолочных продуктов. Ана­эробный гликолиз протекает в цитозоле клеток, где содержатся все не­обходимые для этого ферменты, и не нуждается в митохондриальной дыхательной цепи. АТФ в процессе анаэробного гликолиза образуется за счет реакций субстратного фосфорилирования.

У дрожжей в анаэробных условиях происходит сходный процесс - спиртовое брожение, в этом случае пировиноградная кислота декарбоксилируется с образованием уксусного альдегида, который затем восста­навливается в этиловый спирт:

СН₃-СО-СООН → СН₃-СНО + СО₂;

СН₃-СНО + НАД.Н+Н⁺ → СН₃-СН₂-ОН + НАД⁺.



Рис.28. Схема анаэробного гликолиза глюкозы

10.6. Аэробный распад глюкозы

Аэробный распад глюкозы включает в себя три стадии:

1) превращение глюкозы до пировиноградной кислоты (пирувата) - аэробный гликолиз. Эта часть аналогична рассмотренному выше процессу анаэробного гликолиза, за исключением его последней стадии (превращение пирувата в молочную кислоту);

2) общий путь катаболизма;

3) митохондриальная цепь переноса электронов - процесс тканевого дыхания.

Общий путь катаболизма

Общий путь катаболизма сострит из двух этапов.

1-й этап - окислительное декарбоксилирование пировиноград­ной кислоты. Это сложный многостадийный процесс, катализируемый мультиферментной системой - пируватдегидрогеназным комплексом; локализуется в митохондриях (внутренняя мембрана и матрикс) и может быть выражен суммарной общей схемой:

СН₃-СО-СООН + HS-KoA + НАД⁺ → CH₃-CO-SkoA + НАД.Н+Н⁺ + СО₂.

пируват

коэнзим А

ацетил-КоА

2-й этап - цикл Кребса (цитратный цикл, или цикл трикарбоновых и дикарбоновых кислот) (рис. 29); локализуется в митохондриях (в матриксе). В этом цикле ацетильный остаток, входящий в ацетил-КоА, образует ряд первичных доноров водорода. Далее водород при участии дегидрогеназ поступает в дыхательную цепь. В результате сопряженного действия цитратного цикла и дыхательной цепи ацетильный остаток окисляется до СО₂ и Н₂О. Суммарное уравнение всей последовательно­сти превращений глюкозы в ходе аэробного распада следующее:

С₆Н₁₂О₂ + 6О₂ → 6СО₂ + 6Н₂О

Энергетический эффект аэробного распада - синтез 38 молекул АТФ при расщеплении 1 молекулы глюкозы. Таким образом, в энергети­ческом отношении полное окисление глюкозы до углекислого газа и воды является более эффективным процессом, чем анаэробный гликолиз. Ки­слород тормозит анаэробный гликолиз, поэтому в присутствии избытка кислорода наблюдается переход в растительных и животных тканях от анаэробного гликолиза (брожения) к дыханию (аэробный гликолиз), т.е. переключение клеток на более эффективный и экономичный путь полу­чения энергии (эффект Пастера). Роль анаэробного гликолиза в обеспе­чении организма энергией особенно велика при кратковременной интен­сивной работе, когда мощности механизма транспорта кислорода к мито­хондриям недостаточно для обеспечения аэробного гликолиза. Так, бег в течение 30 секунд (на 200 м) полностью обеспечивается анаэробным гликолизом, при этом скорость анаэробного гликолиза с учащением ды­хания уменьшается, а скорость аэробного распада увеличивается. Через 4-5 мин. бега (1,5 км) - половину энергии дает анаэробный, половину аэробный процесс. Через 30 мин. (10 км бега) - энергия поставляется почти целиком аэробным процессом.

Эритроциты вообще не имеют митохондрий, и их потребность в АТФ полностью удовлетворяется за счет анаэробного гликолиза.

Аэробный распад глюкозы в мозге

Аэробный распад глюкозы может происходить во всех органах и тканях. Но многие органы используют и другие способы синтеза АТФ. В наибольшей зависимости от аэробного распада глюкозы находится мозг. Он расходует 100 г глюкозы в сутки. В состоянии основного обмена около 20% всего поступающего в организм кислорода потребляется мозгом, хотя по массе мозг составляет всего 2% от массы тела. Поэтому как не­достаток глюкозы, так и недостаток кислорода приводят прежде всего к нарушению деятельности ЦНС, сопровождающемуся головокружением, потерей сознания, судорогами.



Рис.29. Цикл Кребса

10.7. Пентозофосфатный цикл

Кроме гликолиза и гликогенолиза, которые являются источника­ми образования энергии соответственно из глюкозы (или других моноса­харидов) и гликогена при распаде их до лактата (в анаэробных условиях) или до СО₂ и Н₂О (в аэробных условиях), существует еще один путь рас­пада углеводов в тканях, получивший название пентозофосфатного пути.

Пентозофосфатный путь обеспечивает клетки гидрированным НАДФ, использующимся для восстановительных синтезов (синтез жирных кислот, холестерина и других стероидов, обезвреживание лекарств, NH₃, ядов), и пентозами для синтеза нуклеотидов.

Таким образом, гликолиз и гликогенолиз выполняют энергетиче­скую функцию, а пентозофосфатный процесс - анаболические функции.

В пентозофосфатном пути выделяют две части: окислительный и неокислительный пути образования пентоз.

Окислительный путь включает две реакции дегидрирования, в которых акцептором водорода служит НАДФ. Во второй из этих реакций одновременно происходит декарбоксилирование - углеродная цепь уко­рачивается на один атом углерода и получаются пентозы:

Глюкозо-6-фосфат

Глюконолактон-6-фосфат

6-фосфоглюконат

Рибулозо-5-фосфат

Рибозо-5фосфат

Неокислительный путь значительно сложнее. В этом пути нет реакций дегидрирования, то есть он служит только для синтеза пентоз из глюкозы или, наоборот, для превращения пентоз в глюкозу. Схему неокислительного пути в общем можно представить следующим образом:

Фруктозо-6-фосфат → глицеральдегид-3-фосфат → рибулозо-5-фосфат→

→рибозо-5-фосфат

При этом из пяти исходных молекул фруктозо-6-фосфата обра­зуется шесть молекул рибозо-5-фосфата. Так как фруктозо-6-фосфат, в свою очередь, образуется из глюкозы, то можно сказать, что в этом про­цессе пять молекул глюкозы превращаются в шесть молекул пентозы без каких-либо потерь вещества. Все реакции неокислительного пути образования пентоз обратимы. Таким образом, пентозы, образующиеся в разных процессах, могут использоваться для синтеза глюкозы (и вообще гексоз). Окислительный и неокислительный пути образования пентоз вместе составляют циклический процесс, называемый пентозофосфатным циклом:



Пентозофосфатный путь превращения глюкозы особенно активно функционирует в органах, где синтезируется много липидов: в пече­ни, жировой ткани, молочных железах, коре надпочечников. Это объяс­няется тем, что при синтезе липидов происходят реакции гидрирования, в которых донором водорода служит НАДФ.Н+Н ⁺.

Следует отметить, что некоторые промежуточные продукты пентозофосфатного цикла могут включаться в аэробный и анаэробный пути распада глюкозы и служить источниками энергии для синтеза АТФ.
10.8. Биосинтез глюкозы (глюконеогенез)

Синтез глюкозы из неуглеводных источников называется глюконеогенезом. Глюконеогенез протекает по тому же пути, что и анаэробный гликолиз, но в обратном направлении. Однако три реакции гликолиза необратимы, и на этих стадиях реакции глюконеогенеза отличаются от реакций гликолиза (рис.30, стадии I, II, III). На каждую молекулу лактата при глюконеогенезе расходуется две молекулы АТФ и одна молекула ГТФ. Поскольку для образования глюкозы необходимо две молекулы лак­тата, суммарный процесс глюконеогенеза описывается следующим урав­нением:

2лактат +4АТФ + 2ГТФ + 6Н₂О → глюкоза + 4АДФ + 2ГДФ + 6Н₃РО₄.

Из клеток, в которых происходит гликолиз, образующаяся из пирувата молочная кислота поступает в кровь, с помощью которой транспортируется в печень, где превращается в пируват. Пируват в пе­чени частично окисляется, частично превращается в глюкозу - глюкозо-лактатный цикл (рис.31). Образовавшаяся глюкоза может вновь посту­пать в мышцы и там превращаться в пируват и затем в молочную кислоту (лактат). Часть пирувата в мышцах путем трансаминирования превраща­ется в аланин, который транспортируется в печень, и здесь снова обра­зуется пируват - глюкозоаланиновый цикл.

Глюкоза может синтезироваться не только из лактата, но и из других веществ, способных превращаться в какой-либо из промежуточ­ных продуктов глюконеогенеза - в пируват, оксалоацетат, глицеральдегидфосфат. К таковым относятся глицерин и аминокислоты. В организме взрослого человека за сутки может синтезироваться около 80 г глюкозы, главным образом в печени, почках и слизистой кишечника. Главными исходными веществами глюконеогенеза являются все белковые амино­кислоты, кроме лейцина. Поэтому потенциальная возможность выдер­жать определенный срок голодания, не нарушая снабжение глюкозой мозга, определяется прежде всего резервами белков в организме.



Рис.30. Схема биосинтеза глюкозы



Рис.31. Глюкозолактатный и глюкозоаланиновый циклы

10.10. Регуляция обмена углеводов

Наибольшее значение для организма имеет поддержание на постоянном уровне глюкозы в крови, так как она является главным энергетическим субстратом для мозга. В норме содержание глюкозы в крови 3,3-4,0 ммоль/л. Повышение ее содержания в крови до 9-10 ммоль/л (гипергликемия) приводит к глюкозурии (выделение с мочой, анализ мочи дает повышенный сахар). Снижение содержания глюкозы в крови до 2,0-1,5 ммоль/л (гипогликемия) может привести к обморочному состоянию и возникновению судорог. Уровень глюкозы в крови зависит от соотношения активности процессов, приводящих к его повышению или понижению. Эти процессы перечислены ниже.

Процессы, ведущие к гипергликемии:

1) всасывание глюкозы из кишечника (пищевая гипергликемия, проходящая через 1-2 часа);

2) распад гликогена до глюкозы (как правило, в печени);

3) глюконеогенез (в печени и почках). Процессы, вызывающие гипогликемию:

1) транспорт глюкозы из крови в ткани и окисление ее до СО₂ и Н₂О;

2) синтез из глюкозы гликогена в печени и скелетных мышцах;

3) образование из глюкозы триацилглицеринов в жировой ткани (см. главу 11).

Уровень глюкозы в крови находится под контролем нервно-гормональной регуляции (принцип "плюс-минус" межгормональных взаи­моотношений - см. главу 16).

Единственным гормоном, снижающим содержание глюкозы в крови, является инсулин. Он стимулирует все три процесса усвоения глюкозы (транспорт внутрь клеток и ее распад, синтез гликогена, синтез жиров из глюкозы). Гормоны: адреналин, глюкагон, тироксин, трийодтиронин, соматотропин - стимулируют распад гликогена, глюкокортикоиды (усиливают глюконеогенез) повышают уровень глюкозы в крови.