prosdo.ru
добавить свой файл
1 2 3
Углеводный обмен (часть I): краткая химическая характеристика углеводов; роль углеводов в организме; гликолиз, полное аэробное окисление глюкозы.


Дополнительные метаболические пути, ассоциированные с гликолизом.
Роль углеводов в организме:

1.Энергетическая. За счет окисления углеводов удовлетворяется примерно половина всей потребности человека в энергии. В энергетическом обмене главная роль принадлежит глюкозе и гликогену.

2.Структурная. Углеводы входят в состав структурно-функциональных компонентов клеток. К ним относятся пентозы нуклеотидов, углеводы гликолипидов и гликопротеинов, гетерополисахариды межклеточного вещества.

3.Защитная. Углеводы участвуют в антигенном маркировании клеток в составе иммуноглобулинов, определяют строение и функции большинства клеточных рецепторов.

4.Антикоагулянтная. Гепарин (гетерополисахарид) препятствует свертыванию крови.

5.Осморегуляторная. Углеводы обладают высокой осмотической активностью.

Обезвреживающая. Глюкуроновые кислоты участвуют в детоксикации токсинов.

6.Пластическая. Углеродный скелет углеводов может использоваться для синтеза соединений других классов, в частности некоторых жирных кислот и аминокислот.

Источники углеводов:

Собственный синтез (глюконеогенез, пентозофосфатный цикл, взаимопревращение фосфогексоз друг в друга) – способен ПОЛНОСТЬЮ удовлетворить потребность организме в углеводах, за исключением аскорбиновой кислоты.

Пищевые источники

Изомерия углеводов в организме:

-В норме более 90% моносахаров представлены циклотаутомерами.

-У циклотаутомеров гексоз (кроме фруктозы) преобладают пиранозные циклы.

-Из них более 60% представляют собой β-аномеры.

-В организме усваиваются только D-сахара
Специфичность действия ферментов углеводного обмена

Таким образом, ферменты, осуществляющие углеводный обмен, обладают высокой пространственной специфичностью: связывают в своем активном центре D-циклотаутомеры моносахаридов, преимущественно в форме β-таутомеров.


Переваривание и всасывание углеводов:

Полостное переваривание: Ротовая полость ( амилаза, мальтаза), 12-перстная кишка(Амилаза pancreas)
Пристеночное переварование: Тонкий кишечник, Дисахаридазы (лактаза, мальтаза, сахараза, изомальтаза)
Полостное и пристеночное переваривание:

Полостное переваривание:
Ферменты находятся в растворе в свободном виде

Потери ферментов высокие

Всасывание продуктов переваривания происходит медленно


Пристеночное переваривание:

Фермент связан с гликопротеиновыми нитями ГЛИКОКАЛИКСА на мембране энтероцита

Потери ферментов очень низкие

Всасывание происходит очень быстро, т.к. процесс идет на мембране



Всасывание углеводов в тонком кишечнике:

Эффективно всасываются только моносахариды.

Всасывание МС ассоциировано с транспортом натрия в энтероцит: через натриевый канал вместе с натрием проникает и глюкоза (СИМПОРТ), а затем избыток натрия выводится АТФазой

Транспорт глюкозы через иные клеточные мембраны:

-Осуществляется специальным интегральным белком клеточных мембран: Glucose Transporter (GluT).

-Известно несколько изоформ GluT, отличающихся чувствительностью к концентрации глюкозы и инсулина.

-В нервной ткани работает GluT, активирующийся при минимальных концентрациях глюкозы и практически не зависящий от инсулина pancreas. Это позволяет мозгу захватывать глюкозу, даже если ее уровень в крови критически низкий

-В жировой ткани GluT инактивируется при недостатке инсулина, транспорт глюкозы в адипоцит прекращается

-В печени GluT сохраняет активность при высоких концентрациях глюкозы в крови, его работа активируется инсулином, но в отсутствие инсулина транспорт глюкозы в клетку возможен

Блокада глюкозы в клетке:

-Маленькая незаряженная молекула глюкопиранозы способна путем диффузии вновь покидать клетку.

-Чтобы глюкоза оставалась в клетке, ее надо перевести в заряженную форму (обычно глюкозо-6-фосфат)

-Эта реакция называется блокирующей, или запирающей.

Дальнейшие пути использования глюкозо-6-фосфата в клетках:

-Гликолиз и полное аэробное окисление глюкозы

-Пентозофосфатный цикл (частичное окисление глюкозы до пентоз)

-Синтез гликогена

-Синтез глюкуроновой кислоты

-Образование эпимеров глюкозы

Гликолиз.

Суммарное уравнение.

Гликолиз (брожение)— это катаболический путь обмена веществ в цитоплазме; он, по-видимому, протекает почти во всех организмах и клетках независимо от того, живут они в аэробных или анаэробных условиях.

Глюкоза+2АТФ→→2Лактат+4АТФ

Стадии гликолиза.

-Подготовительная стадия (протекает с затратой двух молекул АТФ)

Глюкоза+АТФ→глюкозо-6-фосфат→

Фруктозо-6-фосфат+АТФ→фруктозо-1,6-дифосфат

Ферменты: глюкокиназа; фосфофруктоизомераза;

Фосфофруктокиназа – ключевой регуляторный фермент гликолиза. Определяет скорость всех последующих реакций.

-Стадия образования триоз (расщепление глюкозы на 2 трехуглеродных фрагмента)

Фруктозо-1,6-дифосфат→глицероальдегид-3-фосфат+диоксиацетонфосфат

Диоксиацентофосфат→глицероальдегид-3-фосфат, поэтому далее во всех реакция ставится коэффициент 2

Ферменты: Альдолаза. Триозофосфатизомераза

-Окислительная стадия гликолиза (дает 4 моль АТФ на 1 моль глюкозы)

2 глицероальдегид-3-фосфата+2НАД++2Pi→

2 1,3-дифосфоглицерата+2НАДН*Н+

2 1,3-дифосфоглицерата +2 АДФ→2 3-фосфоглицерата +2 АТФ

Ферменты: дегидрогеназа глицероальдегид-3 фосфата


фосфоглицераткиназа

2 3-фосфоглицерата→2 2-фосфоглицерата→2 фосфоенолпирувата (ФЭП)+2 Н2О

2 ФЭП +2 АДФ→2 ПВК +2 АТФ

2 ПВК + 2 НАДН*Н+→2 лактата + 2НАД+

Ферменты: фосфоглицератмутаза (изомераза)

Фосфоенолпируваткиназа (второй регуляторный фермент гликолиза)

Лактатдегидрогеназа (ЛДГ)

Значение гликолиза:

Гликолиз представляет собой независимый от митохондрий путь получения АТФ в цитоплазме (2 моль АТФ на 1 моль глюкозы)

Если гликолиз протекает до лактата, то в процессе происходит «регенерация» НАД+ без участия тканевого дыхания

В клетках, не содержащих митохондрий (эритроциты, сперматозоиды),гликолиз является единственным способом синтеза АТФ

При отравлении митохондрий угарным газом и другими дыхательными ядами гликолиз позволяет выжить

Регуляция гликолиза:

Скорость гликолиза снижается, если в клетку не поступает глюкоза (регуляция количеством субстрата), однако вскоре начинается распад гликогена и скорость гликолиза восстанавливается

2 фермента гликолиза (фосфофруктокиназа и пируваткиназа) являются аллостерическими ферментами, использующими механизм ретроингибирования:

Фосфофруктокиназа снижает активность при накоплении АТФ (конечный продукт гликолиза) и цитрата

Пируваткиназа снижает активность в присутствии АТФ и ацетилСоА

Оба фермента активируются в присутствии АМФ (сигнал недостатка энергии)

Регуляция гликолиза с помощью гормонов:


Стимулируют гликолиз

Инсулин (активирует синтез глюкокиназы, фосфофруктокиназы, пируваткиназы)

Адреналин (стимулирует распад гликогена; в мышцах при этом образуется глюкозо-6 фосфат и происходит активация гликолиза субстратом).


NB!!! В печени адреналин НЕ активирует гликолиз!!!


Ингибирует гликолиз

Глюкагон (репрессирует ген пируваткиназы;

переводит пируваткиназу в неактивную форму, действуя через каскадный механизм)


Пути, ассоциированные с гликолизом:

Некоторые промежуточные продукты гликолиза могут выводиться из процесса для превращения в важные регуляторные метаболиты

Фруктозо-6-фосфат частично превращается во фруктозо-2,6-дифосфат. Это вещество является аллостерическим активатором фосфофруктокиназы и аллостерическим ингибитором глюконеогенеза (процесс, обратный гликолизу)

1,3-дифосфоглицерат также частично выводится из гликолиза и превращается в 2,3-дифосфоглицерат – аллостерический активатор диссоциации оксигемоглобина на кислород и свободный гемоглобин

Полное аэробное окисление глюкозы:

Благодаря активности митохондрий, можно полностью окислить глюкозу до углекислого газа и воды.

В этом случае гликолиз является первым этапом окислительного метаболизма глюкозы.

Перед включением митохондрий в ПАОГ следует превратить гликолитический лактат в ПВК.

При работе ЛДГ образуется НАДН*Н+ в цитоплазме. Если протоны, акцептированные НАД+ перенести в митохондрию, то удастся использовать их в тканевом дыхании

Для переноса протонов из цитоплазмы в митохондрии служит специальный челночный механизм – малатный челнок
Работа малатного челнока (цитоплазма)

-При превращении лактата в ПВК образуется НАДН*Н+ в цитоплазме

-Параллельно в цитоплазме с помощью аспартатаминотрансферазы (АсТ) образуется ЩУК (оксалоацетат)

-Цитоплазматический изофермент малатдегидрогеназы с помощью НАДН превращает ЩУК в малат

Работа малатного челнока (митохондрии)

-Малат проникает через мембраны митохондрий с помощью переносчика


-Митохондриальный изофермент малатдегидрогеназы превращет малат в ЩУК, отдавая протоны на митохондриальный НАД+

-Образуется митохондриальный НАДН*Н+, который включается в тканевое дыхание

Углеводный обмен (II): основные этапы полного аэробного окисления глюкозы, характеристика; энергетическая ценность ПАОГ.

Пути превращения иных гексоз в глюкозу. Галактоземии.

Основные этапы ПАОГ:

1. Гликолиз с последующим превращением 2 моль лактата в 2 моль ПВК и челночным транспортом протонов в митохондрию(малат-аспартатный челнок)

2. Окислительное декарбоксилирование 2 моль пирувата в митохондриях с образованием 2 моль ацетилСоА

3.Сгорание ацетильного остатка в цикле Кребса (2 оборота цикла Кребса)

4. Тканевое дыхание и окислительное фосфорилирование: используются НАДН*Н+ и ФАДН2, генерированные в цикле Кребса, окислительном декарбоксилировании пирувата и перенесенные с помощью малатного челнока из цитоплазмы

Этапы катаболизма на примере ПАОГ:

-Гликолиз, работа малатного челнока, окислительное декарбоксилирование пирувата – пример межуточного обмена (II этап)

-Цикл Кребса – III этап

-Тканевое дыхание и сопряженное с ним окислительное фосфорилирование – IV этап (митохондриальный синтез АТФ)

Ключевые соединения в обмене глюкозы:

1. Из глюкозы образуется пируват (2 моль)

2. Из пирувата образуется ацетилСоА

3.Всего из 1 моль глюкозы может быть получено 2 моль ацетилСоА.

4.ПВК как ключевое соединение всегда образуется из глюкозы, а дальнейшее преобразование в ацетилСоА возможно только при митохондриальном процессе

Поэтому принято считать ПВК ключевым соедиением, образующимся из моносахаров Окислительное декарбоксилирование ПВК:

Протекает в митохондриях, с участием 3 ферментов и 5 коферментов, объединенных в мультиферментный комплекс пируватдегидрогеназы


Мультиферментные комплексы – это мембраносвязанные ферменты, последовательно передающие промежуточный продукт друг другу, до образования полного продукта пути.

В ходе работы МФК промежуточные продукты не уходят в среду, поэтому процесс идет гораздо быстрее.

МФК пируватдегидрогеназы локализован на внутренней мембране митохондрий, на кристах, обращенных в матрикс.

Нарушение митохондриальных мембран вызывает гибель МФК пируватдегидрогеназы .

Состав МФК пируватдегидрогеназы:

Ферменты

1.Пируватдегидрогеназа

2. Дигидролипоил-

трансацетилаза (ацетилтрансфераза)

3. Дигидролипоил-

дегидрогеназа (дегидрогеназа дигидролипоевой кислоты)


Коферменты

1.Тиаминпирофосфат (ТПФ) – производное витамина В1

2. Липоевая кислота

3.ФАД (производное витамина В2)

4. НАД+ (производное витамина РР)

5. HSCoA (производное пантотеновой кислоты)


Пространственная характеристика комплекса:

В каждый комплекс входят:

12 димерных молекул пируватдегидрогеназы и такое же количество молекул тиаминпирофосфата

24 молекулы ацетилтрансферазы

6 димерных молекул дегидрогеназы дигидролипоевой кислоты

Общая масса комплекса: 4*106 кДа – это очень крупная частица

Суммарное уравнение работы МФК пируватдегидрогеназы:

Пируват +НАД++HSCoA→АцетилСоА

+НАДН*Н++СО2

Далее ацетилСоА идет в цикл Кребса, а НАДН*Н+ в тканевое дыхание

Детальная схема работы МФК:

-Знание этой схемы объясняет высокую зависимость углеводного обмена от тиамина (витамина В1), рибофлавина (витамина В2) и никотиновой кислоты (витамина РР)


-Окисление пирувата до ацетилСоА и образование сукцинилСоА из α-кектоглутарата протекает практически идентично, только первый фермент комплекса называется кетоглутаратдегидрогеназа

-Реакции окислительного декарбоксилирования α-кетокислот объясняют высокую потребность тканей, богатых митохондриями, в липоевой кислоте

Расчет энергетической ценности ПАОГ по этапам:

Гликолиз – 2 АТФ (субстратное фосфорилирование)

Малатный челнок – 2 НАДН*Н+=6 АТФ

Окислительное декарбоксилирование 2 моль ПВК – 2 НАДН*Н+=6 АТФ

Цикл Кребса (с учетом ТД и ОФ) – 12*2=24 моль АТФ при сгорании 2 ацетильных остатков

ИТОГО: 38 моль АТФ при полном сгорании 1 моль глюкозы

Регуляция работы МФК пируватдегидрогеназы:

Ингибирование

АТФ

Цитрат

АцетилСоА

НАДН*Н+


Активация

АДФ

Глюкозо-6-фосфат

Фруктозо-1,6-дифосфат


Гормональная регуляция:

Инсулин – мощный активатор ПАОГ

Стимулирует все этапы аэробного окисления

Активация как на уровне транскрипции генов, так и с использованием каскадных механизмов для аллостерической активации ферментов ПАОГ

Превращение гексоз в глюкозу:

Для энергетического обмена важнее всего получить глюкозу. Поэтому в клетках существует набор ферментов, превращающих иные гексозы в глюкозу или промежуточные продукты гликолитического пути.
Использование маннозы в энергетическом обмене:

Манноза фосфорилируется ГЕКСОКИНАЗОЙ с образованием маннозо-6-фосфата

С помощью ФОСФОМАННОИЗОМЕРАЗЫ превращается во фруктозо-6-фосфат

Обычно далее фруктозо-6-фосфат идет в ключевую реакцию гликолиза и превращается во фруктозо-1,6-дифосфат



следующая страница >>