Звягина Учебное пособие

Для транспорта восстановительных эквивалентов в форме НАДН2, образующихся в цитоплазме, например в гликолизе, в митохондриях имеются несколько челночных систем. В митохондриях млекопитающих чаще встречается челночный механизм, использующий пару малат-оксалоацетат. Основной функцией этого механизма является перенос восстановительных эквивалентов в составе малата. Малат, попадая в матрикс с участием переносчика, окисляется до оксалоацетата, под действием малатдегидрогеназы. Оксалоацетат транспортируется обратно в цитоплазму лишь после трансаминирования его в аспартат. В митохондриях поступивший НАДН2 попадает в дыхательную цепь.

Пентозо-фосфатный цикл (ПФЦ) окисления глюкозо-6- фосфата. Биологические функции этого процесса.

Доля ПФЦ в количественном превращении глюкозы в клетках обычно невелика (в большинстве клеток не более 10 %) и зависит от типа ткани и её функционального состояния. Ферменты ПФЦ локализованы в цитоплазме клеток. Превращение глюкозы по ПФЦ не требует присутствия кислорода.

Последовательность реакций ПФЦ разделяют на два этапа:

I. Окислительный этап. Превращение глюкозо-6-фосфата до рибулозо – 5 - фосфата называется окислительной фазой ПФЦ.

Реакции:

Глюкозо-6-фосфат

НАДФ+

Глюкозо-6-фосфат ДГ

НАДФН.Н+

6-фосфоглюконолактон

Лактоназа

6-фосфоглюконат

НАДФ+

6-фосфоглюконат ДГ НАДФН.Н+

СО2 Рибулозо-5-фосфат

Ксилулозо-5-фосфат Рибозо-5-фосфат

Рисунок 15. Схема окислительного этапа ПФЦ

91

При окислении молекулы глюкозы образуется 2 НАДФН.Н+ и ри- бозо-5-фосфат. В некоторых клетках катаболизм глюкозы на этом заканчивается.

Ключевые ферменты:

1)глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа — главный ключевой фер-

мент;

2)6-фосфоглюконатдегидрогеназа

II. Неокислительный этап. Фаза от рибулозо-5-фосфата до образования вновь глюкозо-6-фосфата называется неокислительной. В процессе неокислительного этапа ПФЦ 6 молекул рибозо - 5 - фосфата превращаются в 5 молекул глюкозо-6-фосфата с участием ферментов транскетолазы (кофермент-тиаминдифосфат) и трансальдолазы. При этом промежуточные метаболиты этого пути – фруктозо-6- фосфат и глицеральдегид-3-фосфат могут включаться в аэробный и анаэробный гликолиз.

Все реакции неокислительного этапа обратимы.

Суммарное уравнение ПФП:

3Глюкозо-6-фосфат + 6 НАДФ+ 2 Фруктозо-6-фосфат + 3СО2 + 6НАДФН.Н+ + глицеральдегид-3-фосфат

Биологические функции ПФЦ.

1.ПФЦ является основным источником НАДФН.Н+, который в клетках используется:

а) в реакциях восстановительного синтеза:

синтез жирных кислот;

биосинтез холестерола, стероидных гормонов, желчных кис-

лот;

б) в обезвреживании лекарственных веществ и ядов; в) как антиоксидант: используется на восстановление окислен-

ного глутатиона. Глутатион — важный антиоксидант клеток;

2.В ПФЦ образуется рибозо-5-фосфат, который используется для биосинтетических процессов:

биосинтеза мононуклеотидов (АМФ, ГМФ, УМФ, ЦМФ, ТМФ и др.);

синтеза нуклеиновых кислот (ДНК, РНК);

синтеза коферментов (НАД+, НАДФ+, ФАД, КоА-SН).

Ключевая роль глюкозо – 6 фосфата в метаболизме углеводов.

Глюкозо-6-фосфат может использоваться в клетке в различных реакциях, основными из которых являются: синтез гликогена, глико-

92

лиз и дальнейший распад до СО2 и Н2О или лактата, синтез пентоз. Распад глюкозы до конечных продуктов служит источником энергии для организма. Вместе с тем в процессе метаболизма глюкозо-6- фосфата образуются промежуточные продукты, используемые в дальнейшем для синтеза аминокислот, нуклеотидов, глицерина и жирных кислот. Таким образом, глюкозо-6-фосфат – не только субстрат для окисления, но и строительный материал для синтеза новых соединений.

I.Вопросы для самоподготовки:

1.Углеводы: классификация, строение, свойства и биологические функции.

2.Гликолиз, механизм, энергетический баланс, биологические функции и регуляция.

3.Распад гликогена (гликогенолиз), его связь с гликолизом.

4.Роль адреналина и глюкагона в регуляции мобилизации гликогена.

5.Синтез гликогена (гликогеногенез) и его регуляция.

6.Гликогенозы и агликогенозы.

7.Окисление внемитохондриального НАД·H2.

8.Энергетическая ценность аэробного превращения углеводов.

9.Пентозо-фосфатный путь: окислительный и неокислительный этапы, биологические функции.

10.Глюконеогенез, механизм, биологическое значение.

11.Глюкозо-лактатный цикл (цикл Кори) и глюкозо-аланиновый цикл, гликогенные аминокислоты.

12.Ключевая роль глюкозо – 6 фосфата в метаболизме углеводов.

93

II.Тестовые вопросы для самоконтроля:

1.Углеводы не выполняют … функцию

а) энергетическую – за счет окисления углеводов удовлетворяется примерно половина всей энергетической потребности человека

б) синтетическую – из углеводов в организме могут синтезироваться соединения других классов, в частности, липиды и некоторые аминокислоты

в) структурную - входят в состав разных компонентов клеток г) ферментативную – углеводы являются ферментами

2. К дисахаридам относится… а) глюкоза б) сахароза в) гликоген г) крахмал

3. α-1,4-гликозидные связи крахмала гидролизует … а) олиго-1,6-гликозидаза б) α-амилаза в) карбоксипептидаза г) эластаза

4. В результате аэробного распада глюкозы образуется … АТФ а) 2 б) 19 в) 38 г) 1

5. Анаэробный гликолиз протекает до образования … а) кислорода б) пирувата в) лактата

г) СО2 и Н2О 6. Гликогенозы – это заболевания, которые характеризуются …

а) накоплением в клетках гликогена б) отсутствием гликогена в клетках

в) накоплением галактитола в хрусталике г) повышением уровня галактозы в крови

7. Разрыв α 1,4 гликозидных связей при фосфоролизе гликогена катализирует …

а) олиго-1,6-гликозидаза б) гликогенфосфорилаза

94

в) фосфатаза г) деветвящий фермент

8.Формирование α -1,4 гликозидных связей в синтезе гликогена катализирует …

а) ветвящий фермент б) гликогенсинтаза

в) амило 1,4→1,6 трансгликозилаза г) гликогенфосфорилаза

9.Уровень глюкозы при краткосрочном голодании (менее суток) поддерживает…

а) распад гликогена в печени б) гликолиз в) пентозофосфатный цикл

г) синтез гликогена

10.Глюконеогенез – это …

а) путь обезвреживания NН3

б) наследственное заболевание, характеризующееся накоплением гликогена

в) распад гликогена г) образование глюкозы из неуглеводных источников

11.Единственно возможным путем образования АТФ в эритроцитах является …

а) гликолиз б) окислительное фосфорилирование

в) цикл Кребса г) фотосинтез

12.В пентозофосфатном цикле образуется НАДФН2 , который принимает участие в …

а) обезвреживание лекарств, ядов, аммиака б) синтезе кетоновых тел в) гликолизе

г) окисление жирных кислот

13.Биологической функцией пентозофофатного цикла не является … а) катаболическая – является путем распада углеводов б) энергетическая – при подключении его продуктов к гликоли-

зу образуется энергия в) анаболическая – связана с использованием НАДФН2 и рибо-

зо-5-фосфата в реакциях синтеза

95

г) водороддонорная – является основным генератором водорода для дыхательной цепи

14. В ходе пентозофосфатного цикла образуется …

а) ФАДН2 б) НАДН2 в) НАДФН2 г) АТФ

III. Контрольные задания для самостоятельной работы:

А. Решите следующие ситуационные задачи:

1.У голодающих животных и человека содержание гликогена в печени снижается очень быстро, а концентрация глюкозы в крови длительное время сохраняется на уровне, близком к нижней границе нормы. Объясните причину этого явления?

2.Больной не переносит молока: после его приема у него сразу же возникает диарея. Что бы Вы порекомендовали пациенту из предложенного перечня:

-обезжиренная диета

-диета с низким содержанием лактозы

-частое и регулярное питание

На чем основано Ваше решение?

3. Обсудите возможную ситуацию: в больницу доставлен человек без сознания с признаками алкогольного отравления. Было проведено лабораторное исследование крови на содержание алкоголя, глюкозы, лактата. Предположите характер возможных изменений концентрации этих показателей крови и их причины.

Б. Рассчитайте энергетическую ценность фруктозы двумя возможными путями.

В. Напишите схему превращения этанола в организме человека и рассчитайте его энергетическую ценность.

Частный модуль 1.6. Обмен липидов.

После изучения частного модуля 1.6. студент должен:

Знать: важнейшие липиды тканей человека. Биосинтез жирных кислот, -окисление жирных кислот. Регуляцию метаболизма жирных кислот. Биосинтез и использование кетоновых тел в качестве источников энергии. Основные фосфолипиды и гликолипиды тканей человека, их функции. Биосинтез холестерина, регуляцию, биологическую роль, транспорт холестерина и его нарушения.

96

Уметь: объяснять биохимические основы развития и лечения атеросклероза; механизм возникновения желчно-каменной болезни (холестериновые камни) и применение хенодезоксихолевой кислоты для лечения желчно-каменной болезни; самостоятельно находить достаточное количество информации для решения ситуационных задач.

Владеть: навыками расчета энергетической ценности жирных кислот и глицерина.

Общая характеристика и классификация липидов, основные

биологические функции липидов. Характеристика важнейших представителей одно- и многокомпонентных липидов.

Липиды – это группа разнообразных по химическому строению веществ, растворимых в неполярных растворителях (эфире, хлороформе, бензоле) и относительно нерастворимых в воде. Они широко распространены в природе и являются важной частью пищи. Суточная потребность в пищевых липидах составляет 80 – 100 г., из них не менее 20 -25 г должно поступать растительных липидов, содержащих ненасыщенные жирные кислоты. С липидами пищи поступают также незаменимые для организма жирорастворимые витамины и витаминоподобные соединения.

Биологические функции липидов.

1.Структурная. Входят в состав клеточных мембран, образуя их липидную основу (фосфолипиды, холестерин).

2.Гормональная (кальцитриол, кортикостероиды).

3.Витаминная (витамины Д3 и F).

4.Транспортная. Участвуют в транспорте веществ через липидный слой биомембран.

5.Субстратно-энергетическая. При окислении липидов в организме выделяется большое количество энергии (триацилглицерины).

6.Механическая. Липиды соединительной ткани предохраняют органы от повреждений при механических внешних воздействиях.

7.Теплоизолирующая. Липиды подкожно-жирового слоя сохраняют теплоту благодаря их низкой теплопроводности.

В зависимости от химического состава липиды подразделяются на:

I.Простые липиды. К ним относятся триацилглицерины (нейтральные жиры), эфиры холестерина, воска.

97

Природные жиры, как правило, представляют собой смесь триацилглицеринов (ТАГ), в молекулах которых все три сложноэфирные связи образованы разными жирными кислотами.

СН2 – О – СО – R1

СН – О – СО – R2

СН2 – О – СО – R3

Триацилглицерины – основные компоненты адипоцитов жировой ткани, являющиеся депо нейтральных жиров в организме человека и животных.

II. Сложные липиды – это сложные эфиры спиртов, жирных кислот и других компонентов. Они делятся на классы:

1)Фосфолипиды

2)Гликолипиды

3)Сульфолипиды и др.

Фосфолипиды – это сложные липиды, содержащие спирт, жирные кислоты, остаток фосфорной кислоты и азотистые основания. Фосфолипиды делятся на: глицерофосфатиды, которые образованы глицерином, двумя остатками жирных кислот, фосфорной кислотой и различными азотистыми основаниями, например, фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилинозитол и сфинголипиды. Представителями сфинголипидов являются сфингомиелины, молекулы которых не содержат глицерина и при их гидролизе образуются жирная кислота, фосфорная кислота, холин и высший двухатомный спирт сфингозин. Сфингомиелины в больших количествах встречаются в нервной ткани.

Гликолипиды делят на две группы: 1) цереброзиды, 2) ганглиозиды. В

состав цереброзидов входят высший ненасыщенный спирт сфингозин, жирные кислоты и галактоза. Ганглиозиды дополнительно содержат ацетилнейраминовую кислоту и глюкозу. Гликолипиды содержатся в мембранах клеток нервной ткани.

III. Предшественники и производные липидов. Жирные кислоты, глицерин, стероиды, жирорастворимые витамины, холестерин, простациклины, простагландины, тромбоксаны.

Жирные кислоты содержат от 4 до 24 атомов углерода, в организме человека содержатся жирные кислоты с четным числом углеродных атомов:16, 18 или 20. Жирные кислоты могут быть насыщен-

98

ными (не содержат двойных связей) и ненасыщенными (содержат одну или несколько двойных связей). Наиболее часто в организме человека встречаются

А) насыщенные – пальмитиновая С16:0; стеариновая С18:0. Б) ненасыщенные – олеиновая С18:1; линолевая С18:2;

линоленовая С18:3; арахидоновая С20:4. Незаменимыми (эссенциальными) называются жирные кислоты,

которые не синтезируются в организме и поступают в основном в составе растительных масел.

Основная масса стеринов в организме человека представлена холестерином циклическим спиртом, содержащим 27 атомов углерода и способным образовывать с жирными кислотами эфиры. Холестерин содержится в желчи, в плазме крови (N 3,9-5,5 ммоль/л), входит в состав клеточных мембран, является предшественником для образования: желчных кислот, стероидных гормонов, витамина Д3.

Внутриклеточный гидролиз липидов. Химизм окисления глицерина и жирных кислот. Расчет энергетической ценности жирных кислот и глицерина. Особенности окисления ненасыщенных и жирных кислот с нечетным числом углеродных атомов.

Гидролиз триацилглицеринов в тканях осуществляется тканевой триацилглицеринлипазой, которая гидролизует их на глицерин и свободные жирные кислоты. Этот процесс называется также тканевым липолизом и контролируется гормонами.

Фосфоглицерины клеточных мембран гидролизуются с помощью фосфолипаз А1, А2, С, D. Продуктами гидролиза являются глицерин, жирные кислоты, азотистые спирты, неорганический фосфат.

Окисление глицерина.

Глицерин при участии глицеролкиназы превращается в α- глицеролфосфат, и далее под действием α - глицеролфосфатдегидрогеназы переходит в дигидроксиацетонфосфат, который является промежуточным продуктом гликолиза и может включаться в гликолиз.

99

Итого:

21 АТФ

Так как окисление глицерина протекает в цитозоле клетки, то образующийся НАДН2 должен транспортироваться в митохондрии с помощью специальных транспортных систем – челночных циклов. НАДН2* образующийся в реакции синтеза дигидроксиацетонфосфата поступает в митохондрии с помощью глицерофосфатного челночного цикла, в результате работы которого электроны и протоны передаются на ФАД-зависимый митохондриальный фермент глицеролфосфатдегидрогеназу и в итоге образуется ФАДН2, который поступает в дыхательную цепь и используется для получения энергии. Таким образом, в результате действий челнока цитозольный НАДН2 как бы "превращается" в митохондриальный ФАДН2. Вторая молекула НАДН2 транспортируется с помощью малатаспартатного челночного цикла (см. обмен углеводов) и при этом образуется 3 молекулы АТФ. Пируват попадает в пируватдегидрогеназный комплекс, который функционирует в митохондриях, поэтому для образующегося там НАДН2 специальных транспортных систем не требуется. Таким образом, при аэробном окислении глицерина образуется 21 АТФ.

100