Главная страница

Лекции+по+общей+биохимии+_3.+Углеводы_+ЛПФ+2013... 2013г лекция 7 Тема Переваривание и всасывание углеводов. Обмен гликогена Углеводы


Скачать 0.99 Mb.
Название2013г лекция 7 Тема Переваривание и всасывание углеводов. Обмен гликогена Углеводы
АнкорЛекции+по+общей+биохимии+_3.+Углеводы_+ЛПФ+2013.
Дата15.09.2017
Размер0.99 Mb.
Формат файлаdoc
Имя файлаЛекции+по+общей+биохимии+_3.+Углеводы_+ЛПФ+2013...doc
ТипЛекция
#33
страница2 из 6
Каталогmedlivebooks

С этим файлом связано 12 файл(ов). Среди них: Лекции по биоорганической химии (БОХ).doc, Berezov_T_T_Korovkin_B_F_-_Biologicheskaya_khimia_Ucheb_lit_dlya, Biokhimia_Polny_nabor_lektsy.pdf, Kratkiy_povtor_po_vsey_biokhimii.pdf, Sovremennaya_biokhimia_v_skhemakh.pdf, Ya_Musil_-_Sovremennaya_biokhimia_v_skhemakh.pdf, Biokhimia_v_tablitsakh_i_skhemakh.pdf и ещё 2 файл(а).
Показать все связанные файлы
1   2   3   4   5   6
Тема: Катаболизм глюкозы. Гликолиз


Основные пути катаболизма глюкозы

Катаболизм глюкозы в клетке может проходить как в аэробных, так и в анаэробных условиях, его основная функция - это синтез АТФ.

Аэробное окисление глюкозы

В аэробных условиях глюкоза окисляется до СО2 и Н2О. Суммарное уравнение:

С6Н12О6 + 6О2 → 6СО2+ 6Н2О + 2880 кДж/моль.

Этот процесс включает несколько стадий:

  1. Аэробный гликолиз. В нем происходит окисления 1 глюкозы до 2 ПВК, с образованием 2 АТФ (сначала 2 АТФ затрачиваются, затем 4 образуются) и 2 НАДН2;

  2. Превращение 2 ПВК в 2 ацетил-КоА с выделением 2 СО2 и образованием 2 НАДН2;

  3. ЦТК. В нем происходит окисление 2 ацетил-КоА с выделением 4 СО2, образованием 2 ГТФ (дают 2 АТФ), 6 НАДН2 и 2 ФАДН2;

  4. Цепь окислительного фосфорилирования. В ней происходит окисления 10 (8) НАДН2, 2 (4) ФАДН2 с участием 6 О2, при этом выделяется 6 Н2О и синтезируется 34 (32) АТФ.


В результате аэробного окисления глюкозы образуется 38 (36) АТФ, из них: 4 АТФ в реакциях субстратного фосфорилирования, 34 (32) АТФ в реакциях окислительного фосфорилирования. КПД аэробного окисления составит 65%.
Анаэробное окисление глюкозы

Катаболизм глюкозы без О2 идет в анаэробном гликолизе и ПФШ (ПФП).

  • В ходе анаэробного гликолиза происходит окисления 1 глюкозы до 2 молекул молочной кислоты с образованием 2 АТФ (сначала 2 АТФ затрачиваются, затем 4 образуются). В анаэробных условиях гликолиз является единственным источником энергии. Суммарное уравнение: С6Н12О6 + 2Н3РО4 + 2АДФ → 2С3Н6О3 + 2АТФ + 2Н2О.

  • В ходе ПФП из глюкозы образуются пентозы и НАДФН2. В ходе ПФШ из глюкозы образуются только НАДФН2.


ГЛИКОЛИЗ

Гликолиз – главный путь катаболизма глюкозы (а также фруктозы и галактозы). Все его реакции протекают в цитозоле.

Аэробный гликолиз - это процесс окисления глюкозы до ПВК, протекающий в присутствии О2.

Анаэробный гликолиз – это процесс окисления глюкозы до лактата, протекающий в отсутствии О2.

Анаэробный гликолиз отличается от аэробного только наличием последней 11 реакции, первые 10 реакций у них общие.

Этапы гликолиза

В любом гликолизе можно выделить 2 этапа:

  • 1 этап подготовительный, в нем затрачивается 2 АТФ. Глюкоза фосфорилируется и расщепляется на 2 фосфотриозы;

  • 2 этап, сопряжён с синтезом АТФ. На этом этапе фосфотриозы превращаются в ПВК. Энергия этого этапа используется для синтеза 4 АТФ и восстановления 2НАДН2, которые в аэробных условиях идут на синтез 6 АТФ, а в анаэробных условиях восстанавливают ПВК до лактата.

Энергетический баланс гликолиза

Таким образом, энергетический баланс аэробного гликолиза:

8АТФ = -2АТФ + 4АТФ + 6АТФ (из 2НАДН2)

Энергетический баланс анаэробного гликолиза:

2АТФ = -2АТФ + 4АТФ
Общие реакции аэробного и анаэробного гликолиза

1. Гексокиназа (гексокиназа II, АТФ: гексозо-6-фосфотрансфераза) в мышцах фосфорилирует в основном глюкозу, меньше – фруктозу и галактозу.Кm<0,1 ммоль/л. Ингибитор глюкозо-6-ф, АТФ. Активатор адреналин. Индуктор инсулин.

Глюкокиназа (гексокиназа IV, АТФ: глюкозо-6-фосфотрансфераза) фосфорилирует глюкозу. Кm - 10 ммоль/л, активна в печени, почках. Не ингибируется глюкозо-6-ф. Индуктор инсулин. Гексокиназы осуществляют фосфорилирование гексоз.



2. Фосфогексозоизомераза (глюкозо-6ф-фруктозо-6ф-изомераза) осуществляет альдо-кетоизомеризацию открытых форм гексоз.



3. Фосфофруктокиназа 1 (АТФ: фруктозо-6ф-1-фосфотрансфераза) осуществляет фосфорилирование фруктозы-6ф. Реакция необратима и самая медленная из всех реакций гликолиза, определяет скорость всего гли­колиза.

Активируется: АМФ, фруктозо-2,6-дф (мощный активатор, образуется с участием фосфофруктокиназы 2 из фруктозы-6ф), фруктозо-6-ф, Фн.

Ингибируется: глюкагоном, АТФ, НАДН2, цитратом, жирными кислотами, кетоновыми телами.

Индуктор реакции инсулин.



4. Альдолаза А (фруктозо-1,6-ф: ДАФ-лиаза). Альдолазы действуют на открытые формы гексоз, имеют 4 субъединицы, образуют несколько изоформ. В большинстве тканей содержится Альдолаза А. В печени и почках – Альдолаза В.



5. Фосфотриозоизомераза (ДАФ-ФГА-изомераза).



6. 3-ФГА дегидрогеназа (3-ФГА: НАД+ оксидоредуктаза (фосфорилирующая)) состоит из 4 субъединиц. Катализирует образование макроэргической связи в 1,3-ФГК и восстановление НАДН2, которые используются в аэробных условиях для синтеза 8 (6) молекул АТФ.



7. Фосфоглицераткиназа (АТФ: 3ФГК-1-фосфотрансфераза). Осуществляет субстратное фосфорилирование АДФ с образованием АТФ.



В следующих реакциях низкоэнергетический фосфоэфир переходит в высокоэнергетический фосфат.

8. Фосфоглицератмутаза (3-ФГК-2-ФГК-изомераза) осуществляет перенос фосфатного остатка в ФГК из по­ложения 3 положение 2.



9. Енолаза (2-ФГК: гидро-лиаза) от­щепляет от 2-ФГК молекулу воды и образует высокоэнергетическую связь у фосфора. Ингибируется ионами F-.



10. Пируваткиназа (АТФ: ПВК-2-фосфотрансфераза) осуществляет субстратное фосфорилирование АДФ с образованием АТФ.

Активируется фруктозо-1,6-дф, глюкозой.

Ингибируется АТФ, НАДН2, глюкагоном, адреналином, аланином, жирными кислотами, Ацетил-КоА.

Индуктор: инсулин, фруктоза.



Образующаяся енольная форма ПВК затем неферментативно переходит в бо­лее термодинамически стабильную кетоформу. Данная реакция является последней для аэробного гликолиза.

Дальнейший катаболизм 2 ПВК и использование 2 НАДН2 зависит от наличия О2.

Реакция анаэробного гликолиза

В анаэробных условиях ПВК, подобно О2 в дыхатель­ной цепи, обеспечивает регенерацию НАД+ из НАДН2, что необходимо для продолжения реакций гликолиза. ПВК при этом превращается в молочную кислоту. Реакция протекает в цитоплазме с участием лактатдегидрогеназы (ЛДГ).

11. Лактатдегидрогеназа(лактат: НАД+ оксидоредуктаза). Стоит из 4 субъединиц, имеет 5 изоформ.



Лактат не является конечным продуктом метаболизма, удаляемым из организма. Из анаэробной ткани лактат переноситься кровью в печень, где превращаясь в глюко­зу (Цикл Кори), или в аэробные ткани (миокард), где превращает­ся в ПВК и окисляется до СО2 и Н2О.
Катаболизм ПВК в митохондриях

В аэробных условиях ПВК и водороды с НАДН2 транспортируются в матрикс митохондрий. ПВК самостоятельно не проходит внутреннюю мембрану митохондрий, перенос ее через мембрану осуществляется вторично-активным транспортом симпортом с Н+. ПВК в митохондриях используется в 2 реакциях:

  1. Пируватдегидрогеназный комплекс (ПВК: НАД+ оксидорудуктаза (декарбоксилирующая)) содержит 3 фермента и 5 коферментов: а) Пируватдекарбоксилаза содержит (Е1) 120 мономеров и кофермент ТПФ; б) Дигидролипоилтрансацилаза (Е2) содержит 180 мономеров и коферменты липоамид и HSКоА; в) Дигидролипоилдегидрогеназа (Е3) содержит 12 мономеров и коферменты ФАД и НАД. Пируват ДГ комплекс осуществляет окислительное декарбоксилирование ПВК с образованием Ацетил-КоА. Активатор: HSКоА, НАД+, АДФ. Ингибитор: НАДН2, АТФ, Ацетил-КоА, жирные кислоты, кетоновые тела. Индуктор инсулин.



Механизм работы Пируват ДГ комплекса. Процесс проходит 5 стадий:



Далее Ацетил-КоА поступает в ЦТК, где он окисляется до 2 СО2 с образованием 1 ГТФ, восстановлением 3 НАДН2 и 1 ФАДН2.
Структура ПДГ-комплекса

ПДГ-комплекс в клетках тканей млекопитающих представляет собой достаточно сложное

образование [39, 47]. Его структурное ядро состоит из 60 липоат-содержащих субъединиц

дигидролипоамидацетилтрансферазы (НФ 2.3.2.12, Е2) [38, 57]. Каждая субъединица содержит внутренний домен (ВД), связывающий домен (СД) и два липоильных домена (ЛД1 и ЛД2), объединенные гибкими связями. Внутренние домены образуют пентагональный додекаэдрон, а другие образуют выступающую «качающуюся ручку», включающую липоатный остаток [35]. 30 гетеротетрамерных (α2β2) молекул ТДФ-содержащей ПДГ (НФ 1.2.4.1, Е1) объединены в связанные домены Е2 [16, 39]. 12 гомодимерных молекул FAD-содержащей дигидролипоамиддегидрогеназы (НФ 1.8.1.4, Е3) связаны со связывающими доменами так называемого «Е3-связывающего белка», который отличается от типичной субъединицы Е2, так как он

содержит только один липоильный домен (ЛД3) и не обладает каталитической активностью [40].

Изучение структурной организации Е1 может быть особо полезно для понимания его каталитических и регуляторных механизмов. Например, кристаллическая структура голофермента ПДГ человека при разрешении 1,95 Ǻ [43] дает доказательства возможности челночного движения Е1 гетеродимеров (αβ). Это согласуется с механизмом флип-флоп каталитического действия Е1 человека [20].

Исследования с применением точечного мутагенеза, кинетического анализа и рентгеноструктурной кристаллографии Е1 человека показали, что Про-188, Мет-181 и Арг-349 в α-субъединице, а также Трп-135 в β-субъединице играют важную роль в определении структуры белка. αПро-188 и αМет-181 остатки имеют большое значение для связывания ТДФ [26, 38]


  1. Пируваткарбоксилаза (ПВК: СО2-синтетаза (АТФ → АДФ + Фн)) сложный олигомерный фермент, содержит биотин. Карбоксилирует ПВК до ЩУК. Пополняющая реакция, по мере необходимости добавляет ЩУК в ЦТК. Активатор: Ацетил-КоА.



Челночные системы

В аэробных условиях О2 обеспечивает регенерацию НАД+ из НАДН2, что необходимо для продолжения реакции гликолиза (НАД+ субстрат 3-ФГА ДГ).

Так как внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для НАДН2, восстановленный в гликолизе НАДН2, передает свои водороды на дыхательную цепь митохондрий с помощью специальных систем, назы­ваемых «челночными». Известны 2 челночные системы: малат-аспартатная и глицерофосфатная.

1. Малат-аспартатный челнок является универсальным, работает в печени, почках, сердце.

2.

Глицерофосфатный челночный механизм. Работает в белых скелетных мышцах, мозге, в жировой ткани, гепатоцитах.



Малат-аспартатный челнок энергетически более эффективе­н, так как передаёт водород в дыхательную цепь через митохондриальный НАД, соотношение Р/О равно 3, синтезируется 3 АТФ.

В глицерофосфатный челнок передаёт водород в дыхательную цепь через ФАД на KoQ, соотношение Р/О равно 2, синтезируется 2 АТФ.
Пластическое значение катаболизма глюкозы

При ка­таболизме глюкоза может выполнять пластические функции. Метаболиты гликолиза ис­пользуются для синтеза новых соединений. Так, фруктозо-6ф и 3-ФГА участвуют в образовании рибозо-5-ф (компонент нуклеотидов); 3-фосфоглицерат может включаться в синтез ами­нокислот, таких как серии, глицин, цистеин. В печени и жировой ткани Ацетил-КоА исполь­зуется при биосинтезе жирных кис­лот, холестерина, а ДАФ для синтеза глицерол-3ф.

Регуляция гликолиза

Эффект Пастера – снижение скорости потребления глюкозы и накопления лактата в присутствии кислорода.

Эффекта Пастера объясняется наличием конкуренции между ферментами аэробного (ПВК ДГ, ПВК карбоксилаза, ферменты цепи окислительного фосфорилирования) и анаэробного (ЛДГ) пути окисления за общий метаболит ПВК и кофермент НАДН2.

  • Без О2 митохондрии не потребляют ПВК и НАДН2, в результате их концентрация в цитоплазме повышается и они идут на образование лактата. Так как анаэробный гликолиз дает из 1 глюкозы только 2 АТФ, для образования достаточного количества АТФ необходимо много глюкозы (в 19 раз больше чем в аэробных условиях).

  • В присутствии О2, митохондрии выкачивают ПВК и НАДН2 из цитоплазмы, прерывая реакцию образования лактата. При аэробном окислении из 1 глюкозы образуется 38 АТФ, соответственно для образования достаточного количества АТФ необходимо мало глюкозы (в 19 раз меньше чем в анаэробных условиях).



МЕТАБОЛИЗМ ФРУКТОЗЫ И ГАЛАКТОЗЫ

Фрук­тоза и галактоза наряду с глюкозой используются для получения энергии или синтеза веществ: гликогена, ТГ, ГАГ, лактозы и др.

Метаболизм фруктозы

Значительное количество фруктозы, образу­ющееся при расщеплении сахарозы, превраща­ется в глюкозу уже в клетках кишечника. Часть фруктозы поступает в печень.

Метаболизм фруктозы в клетке начинает­ся с реакции фосфорилирования:

1. Фруктокиназа (АТФ: фруктоза-1-фосфотрансфераза) фосфорилирует только фруктозу, имеет к ней высокое сродство. Содержится в печени, почках, кишечнике. Инсулин не влияет на ее активность.



2. Альдолаза В (фруктозо: ГА-лиаза) есть в печени, расщепляет фруктозо-1ф (фруктозо-1,6ф) до глицеринового альдегида (ГА) и диоксиацетонфосфата (ДАФ).



3. Триозокиназа (АТФ: ГА-3-фосфотрансфераза). Много в печени.



ДАФ и ГА, полученные из фруктозы, вклю­чаются в печени главным образом в глюконеогенез. Часть ДАФ может восстанав­ливаться до глицерол-3-ф и участвовать в синтезе ТГ.
Нарушения метаболизма фруктозы

Причиной нарушения метаболизма фруктозы является дефект 3 ферментов: фруктокиназы, альдолазы В, триозокиназы.

Доброкачественная эссенциальная фруктозурия связана с недостаточностьюфруктокиназы, клинически не проявляется. Фруктоза накапливается в крови и выделяется с мочой, где её можно обнару­жить лабораторными методами. Частота 1:130 000.

Наследственная непереносимость фруктозы частая патология, воз­никает при генетически дефек­те альдолазы В (аутосомно-рецессивная форма). Она проявляется, когда в рацион добавляют фрукты, соки, сахарозу. После приёма пищи, содержащей фрук­тозу возникает рвота, боли в животе, диарея, гипогли­кемия и даже кома и судороги. У маленьких детей и подростков развиваются хрони­ческие нарушения функций печени и почек. Болезнь сопро­вождается накоплением фруктозо-1-ф, который ингибирует активность фосфоглюкомутазы, поэтому происходит торможение распада гликогена и развивается гипогликемия. Как следствие, ускоряется мо­билизация липидов, окисление жирных кис­лот и синтез кетоновых тел. Повышение кетоновых тел может привести к метаболическому ацидозу.

Результатом торможения гликогенолиза и гликолиза является снижение синтеза АТФ. Кроме того, накопление фосфорилированной фруктозы ведёт к нарушению обмена неорга­нического фосфата и гипофосфатемии. Для пополнения внутриклеточного фосфата ускоряется распад адениловых нуклеотидов. Продукты распада этих нуклеотидов включаются в катаболизм, проходя стадии образования гипоксантина, ксантина и, наконец, мочевой кис­лоты. Повышение количества мочевой кислоты и снижение экскреции уратов в условиях мета­болического ацидоза проявляются в виде гиперурикемии. Следствием гиперурикемии может быть подагра даже в молодом возрасте.

Метаболизм галактозы

Галактоза образуется в кишечнике в результа­те гидролиза лактозы. Превращение галакто­зы в глюкозу происходит в печени в реакции эпимеризации в виде УДФ-производного.

Галактокиназа (АТФ: галактозо-1-фосфотрансфераза) фосфорилирует галактозу.



Галактозо-1ф-уридилтрансфераза замещает галактозой остаток глюкозы в УДФ-глюкозе с образованием УДФ-галактозы.



Эпимераза (УДФ-галактозо-УДФ-глюкозо-изомераза) — НАД-зависимый фермент, катализирует эпимеризацию ОН группы по С4 углеродному атому, обеспечивая взаимопревращения галактозы и глюкозы в составе УДФ.

Образованная глюкозо-1-ф может включаться в: 1) синтез гликогена; 2) превращение в свободную глюкозу; 3) катаболизм, сопряжённый с синтезом АТФ, и т.д.

Нарушения метаболизма галактозы

Галактоземия обусловленна наследствен­ным дефектом любого из трёх ферментов, включающих галактозу в метаболизм глюкозы.

Галактоземия, вызванная недостаточностью галактозо-1-фосфатуридилтрансферазы (ГАЛТ) имеет несколько форм, про­является рано, и особенно опасна для детей, так как материнское молоко, содержит лактозу. Ранние симптомы дефекта ГАЛТ: рвота, диарея, дегидратация, уменьше­ние массы тела, желтуха. В крови, моче и тканях повышается концентрация галактозы и галак­тозо-1-ф. В тканях глаза (в хрусталике) галактоза восстанавливается альдоредуктазой (НАДФ) с образованием галактитола (дульцита). Галактитол накапливается в стекловид­ном теле и связывает большое количество воды, чрезмерная гидратация хрусталика приводит к развитию катаракты, которая на­блюдается уже через несколько дней после рож­дения. Галактозо-1-ф ингибирует активность ферментов углеводного обмена (фосфоглюкомутазы, глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы).

Га­лактозо-1ф оказывает токсическое действи­е на гепатоциты: возникают гепатомегалия, жи­ровая дистрофия. Галактитол и га­лактозо-1-ф вызывают почечную недостаточность. Отмечают нарушения в клетках полушарий го­ловного мозга и мозжечка, в тяжёлых случаях — отёк мозга, задержку умственного развития, воз­можен летальный исход.

Некоторые дефекты в строении ГАЛТ при­водят лишь к частичной потере активности фер­мента. Поскольку в норме ГАЛТ присутствует в организме в избытке, то снижение его актив­ности до 50%, а иногда и ниже может клини­чески не проявляться.

Лечение заключается в удалении галактозы из рациона.

Педфак. Особенности катаболизма моносахаридов у новорожденных и детей

У детей активен УДФ-глюкоза ↔ УДФ-галактоза путь. У взрослых этот путь неактивен. У новорожденных низкая активность ПФШ. При рождении у ребенка происходит переключение катаболизма глюкозы с анаэробного на аэробный путь. Вначале преобладает использование липидов.

ЛЕКЦИЯ № 9
1   2   3   4   5   6

перейти в каталог файлов
связь с админом