Биохимия семестр 1

9. Регуляция цикла трикарбоновых кислот.

Аллостерическая регуляция

Ферменты, катализирующие 1-ю, 3-ю и 4-ю реакции ЦТК, являются чувствительными к аллостерической регуляции метаболитами:

Регуляция доступностью оксалоацетата

Главным и основным регулятором ЦТК является оксалоацетат, а точнее его доступность. Наличие оксалоацетата вовлекает в ЦТК ацетил-SКоА и запускает процесс.

Обычно в клетке имеется баланс между образованием ацетил-SКоА (из глюкозы, жирных кислот или аминокислот) и количеством оксалоацетата. Источником оксалоацетата являются

1) Пировиноградная кислота, образуемая из глюкозы или аланина,

Регуляция активности фермента пируваткарбоксилазы осуществл

яется при участии ацетил-SКоА. Он является аллостерическим активатором фермента, и

без него пируваткарбоксилаза практически неактивна. Когда ацетил-SКоА накапливается, то фермент начинает работать и образуется оксалоацетат, но, естественно, только при наличии пирувата.

2)Получение из аспарагиновой кислоты в

результате трансаминирования или из цикла АМФ-ИМФ,

3)Поступление из фруктовых

кислот самого цикла (янтарной, α- кетоглутаровой, яблочной, лимонной), образуемых при катаболизме аминокислот или в других процессах. Большинство аминокислот при своем катаболизме способны превращаться в

метаболиты ЦТК, которые далее идут в оксалоацетат, чем также поддерживается активность цикла.

10. Гипоэнергические состояния: основные механизмы и клиническое значение.

В клетке часто может создаваться ситуация, когда реакции окислительного фосфорилирования идут с определенными вариациями. Эти вариации могут являться следствием нарушений в организме или физиологической реакцией.

Гипоэнергетические состояния

Причиной гипоэнергетических состояний может быть следующее:

•гиповитаминозы экзогенные и/или эндогенные – снижается скорость и эффективность окислительных реакций. Возникает обычно при нехватке витаминов – В1, В2, никотиновой кислоты, В6, 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, накопление НАДН и ФАДН2 в клетке и прекращение катаболизма,

•дефицит железа – компонента цитохромов, миоглобина и гемоглобина, и меди – компонента цитохромоксидазы.

15.Регуляция общего пути катаболизма. Биохимические основы терморегуляции. Биомедицинские аспекты нарушений энергообеспечения клетки.

1. Цикл трикарбоновых кислот: последовательность реакций, ферменты, биологическиt функции.

Цикл протекает в матриксе митохондрий

и представляет собой окисление молекулы

ацетил-SКоА в восьми последовательных

реакциях.

Ферменты, задействованные в цикле Кребса, требуют для выполнения своей задачи участия разнообразных коферментов и субстратов:

•Пантотеновой кислоты (витамин В5);

•Никотиновой кислоты (витамин В3);

•Рибофлавина (витамин В2);

•Липоевой кислоты;

•Тиамина (витамин В1);

•Цистеина;

Для выполнения второго обменного процесса, а именно передачи электронов в цепи ЦПЭ, необходимы коферменты:

•Рибофлавин;

•Железо;

•Медьсодержащие субстраты.Ионов металлов Fe, Mg, Mn.

1) В первой реакции связываются ацетил и оксалоацетат (щавел евоуксусная кислота) с

образованием цитрата (лимонной кислоты). Фермент – цитратсинтаза.

2)Далее происходит изомеризация лимонной кислоты до изоцитрата. Фермент – аконитаза.

3)Окислительное декарбокслилирование изоцитрата с образование альфа-

кетоглутарата.

Фермент – изоцитратдегидрогеназа.

4)Окислительное декарбоксилирование альфа-кетоглутарата с образованием

Сукцинил-KoA.

Регуляция – альфа-кетоглутарат дегидрогеназный комплекс.

5)Для пятой реакции нужны кофакторы: Тиамин (витамин В)

Липовая кислота Коэнзим А

FAD+ (витамин В2/ рибофлавин) NAD+ (витамин В3/ ниацин)

(Тирекс Любит и Кушает Фирменные Начос)

В пятой реакции образуется ГТФ, это реакция субстратного фосфорилирования.

Фермент – сукцинат тиокиназа.

6) Дегидрирование сукцината, с образованием фумарата.

Кофермент FAD+

Фермент – сукцинат дегидрогеназа.

7) Образование малата из фумарата.

Фермент – фумараза.

8) Дегидрирование малата, с образованием

оксалоацитата.

Фермент – малат дегидрогеназа.

2. Анаплеротические реакции цикла трикарбоновых кислот: биологическое значение и ферменты, их катализирующие.

Метаболиты ЦТК служат предшественниками в синтезе других соединений, поэтому их концентрация должна восполняться. Этому способствуют анаплеротические реакции, в ходе которых синтезируются метаболиты ЦТК. Обычно катаплеротические и анаплеротические реакции находятся в динамическом балансе, поэтому концентрация метаболитов ЦТК остаётся примерно на одном уровне.

Пируваткарбоксилаза

Важнейшая анаплеротическая реакция в печени и почках у человека — обратимое карбоксилирование пирувата с образованием оксалоацетата, катализируемое пируваткарбоксилазой.

В ходе этой реакции затрачивается одна молекула АТФ. В отсутствие ацетил-КоА фермент практически неактивен. Ацетил-КоА служит его аллостерическим активатором, поэтому, как только концентрация ацетил-КоА возрастает, реакция возобновляется и образуется больше молекул оксалоацетата.

Возрастает скорость первой реакции ЦТК, поскольку концентрация доступных субстратов повышается.

Пируват + HCO3– + АТФ + H2O

Оксалоацетат + АДФ + Фн + 2H+

Малик-фермент

Малик-фермент (или малатдегидрогеназа декарбоксилирующая) катализирует реакцию карбоксилирования и восстановления пирувата в малат. Донором протона и электронов в этой реакции

является NADH, который окисляется до

NAD+.

Пируват + HCO3– + NADH Малат +

NAD+

Фосфоенолпируваткарбоксикиназа (фосфо-енол-пируват-карбокси-киназа)

В норме фосфоенолпируваткарбоксикиназа катализирует декарбоксилирование и фосфорилирование оксалоацетата с образованием фосфоенолпирувата. Однако эта реакция может протекать и в обратном направлении (это происходит не часто).

Фосфоенолпируват + ГДФ + CO2 Оксалоацетат + ГТФ

Реакции катаболизма аминокислот

В ходе окисления многие аминокислоты распадаются до метаболитов ЦТК: аланин, цистеин, глицин, треонин, триптофан и серин катаболизируются до пирувата; изолейцин, метионин, треонин и валин — до сукцинил-КоА (важный анаплеротический путь), глутамат и глутамин — до α- кетоглутарата; аспартат, фенилаланин и тирозин — до фумарата, аспарагин и аспартат — до оксалоацетата.

Реакции катаболизма жирных кислот

Жирные кислоты с нечётным числом атомов окисляются с образованием пропионилКоА, который далее образует сукцинил-КоА и включается в ЦТК.

3. Анаболические функции цикла трикарбоновых кислот.

Функции ЦТК

1. Энергетическая

•генерация атомов водорода для работы дыхательной цепи, а именно трех молекул НАДН и одной молекулы ФАДН2,

•синтез одной молекулы ГТФ

(эквивалентна АТФ).

2. Анаболическая.

•В ЦТК образуются предшественник гема – сукцинил-SКоА,

•кетокислоты, способные

превращаться в аминокислоты – αкетоглутарат для глутаминовой

кислоты, оксалоацетат для аспарагиновой,

•лимонная кислота, используемая для синтеза жирных кислот,

•оксалоацетат, используемый для синтеза глюкозы.

4. Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса и цикла трикарбоновых кислот.

Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса.

Превращение пирувата в ацетил-КоА – процесс необратимый. Поэтому синтез глюкозы из ацетил-КоА невозможен.

Обычно ацетил-КоА далее превращается 2- мя путями:

1)ацетильная группа ацетил-КоА окисляется до СО2 и Н2О через ЦТК и сопряженные цепи переноса электронов с выделением и запасанием энергии в виде АТФ;

2)используется для синтеза кетоновых тел, холестерола и жирных кислот.

Пируватдегидрогеназный комплекс регулируется методом фосфорилирования-дефосфорилирования.

Повышение величин отношений НАДН/НАД+, ацетил-КоА/КоА или АТФ/АДФ способствует фосфорилированию фермента протеинкиназой и дезактивации комплекса.

Следовательно, пируватдегидрогеназный комплекс инактивируется, если клетка богата энергией и биосинтетическими предшественниками.

Пируват и АДФ, наоборот, активируют пируватдегидрогеназный комплекс посредством ингибирования протеинкиназы.

Вазопрессин активирует пируватдегидрогеназный комплекс путем повышения концентрации ионов кальция в митохондриях, которые активируют протеинфосфатазу (дефосфорилирование фермента).

Инсулин также усиливает превращение пирувата в ацетил-КоА через дефосфорилирование пируватдегидрогеназного комплекса.

Регуляция ЦТК.

Аллостерическая регуляция

Ферменты, катализирующие 1-ю, 3-ю и 4-ю реакции ЦТК, являются чувствительными к аллостерической регуляции метаболитами:

Регуляция доступностью оксалоацетата

Главным и основным регулятором ЦТК является оксалоацетат, а точнее его доступность. Наличие оксалоацетата вовлекает в ЦТК ацетил-SКоА и запускает процесс.

Обычно в клетке имеется баланс между образованием ацетил-SКоА (из глюкозы, жирных кислот или аминокислот) и количеством оксалоацетата. Источником оксалоацетата являются

1) Пировиноградная кислота, образуемая из глюкозы или аланина,

Регуляция активности фермента пируваткарбоксилазы осуществл

яется при участии ацетил-SКоА. Он является аллостерическим активатором фермента, и

без него пируваткарбоксилаза практически неактивна. Когда ацетил-SКоА накапливается, то фермент начинает работать и образуется оксалоацетат, но, естественно, только при наличии пирувата.

2)Получение из аспарагиновой кислоты в

результате трансаминирования или из цикла АМФ-ИМФ,

3)Поступление из фруктовых

кислот самого цикла (янтарной, α- кетоглутаровой, яблочной, лимонной), образуемых при катаболизме аминокислот или в других процессах. Большинство аминокислот при своем катаболизме способны превращаться в

метаболиты ЦТК, которые далее идут в оксалоацетат, чем также поддерживается активность цикла.

5. Терморегуляторная функция дыхательной цепи. Механизм разобщения окисления и фосфорилирования. Роль бурой жировой ткани.

При переносе электронов по ЦПЭ часть энергии рассеивается в виде теплоты, которая используется теплокровными животными для поддержания температуры тела.

При использовании АТФ для совершения полезной работы значительная часть энергии также превращается в теплоту. При снижении температуры тела включается механизм дрожания (несогласованного сокращения отдельных групп мышц). При этом за счет АТФ-азной активности актомиозина происходит гидролиз АТФ до АДФ и Н3РО4, что стимулирует тканевое дыхание. Полезной работы при этом не происходит, большая часть энергии переходит в теплоту и температура тела повышается. Кроме того дополнительное образование теплоты может происходить путем разобщения дыхания и фосфорилирования в процессе адаптации к холоду.

При охлаждении в жировой ткани из симпатических нервных окончаний освобождается норадреналин, который активирует ТАГ-липазу.

При активации липазы в клетках повышается концентрация свободных жирных кислот, которые способны разобщать тканевое дыхание и окислительное фосфорилирование, участвуя в транспорте протонов через митохондриальную мембрану.

Разъединение (разобщение) процессов окисления и фосфорилирования осуществляют вещества, называемые разобщители. Они снижают

величину электрохимического градиента, что приводит к уменьшению синтеза АТФ, несмотря на увеличение скорости движения

электронов по дыхательной цепи и возрастание катаболизма.

К разобщителям в первую очередь относят "протонофоры" – молекулы, переносящие ионы водорода из межмембранного пространства в матрикс митохондрии. При этом одновременно уменьшаются оба компонента электрохимического градиента

– электрический и химический, и энергия градиента не используется для синтеза АТФ,

а рассеивается в виде тепла. Следствием эффекта протонофоров является возрастание катаболизма жиров и углеводов в клетке.

Классическим экспериментальным протонофором является динитрофенол, жирорастворимое соединение, присоединяющий ионы водорода на внешней поверхности внутренней митохондриальной мембраны и отдающий их на внутренней поверхности. Физиологическими протоноф

орами являются особые разобщающие белки, в частности термогенин (см ниже).

Кроме динитрофенола и термогенина протонофорами, к примеру,

являются салицилаты, дикумарол, жирны е кислоты, непрямой билирубин, трийодтиронин.

Кроме протонофоров на величину электрохимического градиента

влияют вещества, называемые ионофорами. Они встраиваются в мембрану и либо сами переносят катионы Na+ или K+ внутрь, либо образуют для этих ионов канал. В результате исчезает электрическая составляющая градиента и уменьшается синтез АТФ. Примером ионофоров являются антибиотики валиномицин и нигерицин, переносящие калий, и грамицидин,

образующий в мембране канал по которому перемещаются калий, натрий и другие одновалентне катионы.

Бурая жировая ткань

При фосфорилировании АТФ-синтазой АДФ до АТФ используется не вся энергия протонного градиента, лишь его часть тратится на совершение работы (синтез АТФ), а другая часть рассеивается в виде тепла.

В итоге АТФ не синтезируется, несмотря на непрерывно возрастающий (по правилу дыхательного контроля)

катаболизм. Благодаря термогенину большая часть энергии ионов водорода рассеивается в виде тепла, подогревая протекающую через ткань кровь и обеспечивая поддержание температуры тела при охлаждении.

Особые клетки организма умеют увеличивать долю рассеиваемой тепловой энергии – это клетки бурой жировой ткани.

В отличие от белых жировых клеток бурые адипоциты содержат большое количество митохондрий, которые и придают им бурокрасный цвет. Во внутренней мембране митохондрий этих клеток имеется белок термогенин (до 15% от всех белков

митохондрий), относящийся к семейству разобщающих белков, называемых UCP-

белки (англ. uncoupling protein).

При охлаждении организма бурые адипоциты получают сигналы по симпатическим нервам, и в них активируется расщепление жира – липолиз. Окисление жиров приводит к получению большого количества НАДН и ФАДН2, активизации работы дыхательной цепи и возрастанию электрохимического градиента. Однако АТФ-синтазы в мембранах митохондрий этих клеток относительно мало, зато много термогенина, близкого по строению к Fо-субъединице АТФ-синтазы. Термогенин является каналом во внутренней мембране через который в матрикс проходит часть ионов Н+ и снижается протонный градиент.

Открыто несколько типов UCP-белков: UCP-1 (термогенин) преобладает в бурой жировой ткани, UCP-2 – есть и в бурой и белой жировой ткани, UCP-3 – в cкелетных мышцах, UCP-4 и UCP-5 – обнаружены в нейронах.