Б. За типом реакції, яку вони каталізують, коферменти поділяють на:

Властивості ферментів

· ферменти значно підвищують швидкість перебігу біохімічних реакцій, але не входять доскладу кінцевих продуктів реакції;

· ферменти забезпечують перебіг лише тих біохімічних реакцій, які можливі, виходячи із законів термодинаміки;

· ферменти прискорюють швидкість як прямої, так і зворотної реакції перетворення субстрату, не змінюючи константи рівноваги (Кр) реакції та зменшуючи термін часу до досягнення стану рівноваги

· ферменти є високоспецифічними каталізаторами

· відповідно до білкової природи, каталітична активність ферментів дуже чутлива до змін фізико-хімічних властивостей середовища (рН, температури)

· активністьферментів може суттєво змінюватися під впливом певних хімічних сполук, що збільшують (активатори) або зменшують (інгібітори) швидкість реакції, яка каталізується.

3. Класифікація та номенклатура ферментів, характеристика окремих класів ферментів.

А. Номенклатура ферментів.

1. Систематична номенклатура. Згідно із систематичною номенклатурою, назва (найменування) ферменту включає в себе: хімічну назву субстрату або субстратів; тип реакції, що каталізується; суфікс -аза.

2. Тривіальна номенклатура. Тривіальні назви ферментів утворюються на основі хімічної назви субстрату з додаванням суфікса -аза. У біохімії існують також загальноприйняті, історично усталені назви ферментів, що не відображають хімічної природи реакції, зокрема, пепсин, трипсин, тромбін, плазмін тощо. Тривіальна назва (або назви) ферменту звичайно вказується в дужках.

Наприклад: Систематична назва ферменту (Е): карбамідамідогідролаза. Тривіальна назва ферменту: уреаза (urea — сечовина; лат.).

Б. Класифікація ферментів.

Ферменти поділяють накласи згідно з типом реакції, яку вони каталізують:

· 1-й клас. Оксидоредуктази — ферменти, що каталізують окислювально- відновлювальні реакції різних типів. До оксидоредуктаз належать дегідрогенази — ферменти, що каталізують реакції дегідрування, оксидази, що окислюють субстрати шляхом приєднання кисню, цитохроми — переносники електронів тощо.

· 2-й клас. Трансферази — ферменти, що каталізують реакції міжмолекулярного переносу хімічних груп. Трансферази поділяють на амінотрансферази, метилтрансферази, ацил- трансферази, фосфотрансферази, глікозилтрансферази. До трансфераз належать також кінази, зокрема протеїнкінази — ферменти, що каталізують фосфорилювання субстратів та інших білків за рахунок фосфатного залишку АТФ.

· 3-й клас. Гідролази — ферменти, що каталізують реакції гідролізу, тобто розщеплення субстратів за участю молекули води. Гідролази здатні розщеплювати складноефірні, пептидні, глікозидні та інші зв’язки — естерази, пептидази та протеази, глікозидази.

· 4-й клас. Ліази — ферменти, що каталізують реакції розщеплення ковалентних зв’язків між атомами С, О, N, S негідролітичним шляхом. До ліаз належать декарбоксилази — ферменти, що відщеплюють від органічних кислот карбоксильну групу у вигляді СО2; альдолази, що розщеплюють вуглець-вуглецеві зв’язки з утворенням альдегідів; дегідратази, які відщеплюють від субстратів молекулу води з утворенням подвійного зв’язку.

· 5-й клас. Ізомерази — ферменти, що каталізують реакції ізомеризації субстратів — рацемази, епімерази тощо.

· 6-й клас. Лігази (синтетази) — ферменти, що каталізують реакції синтезу біомолекул, тобто утворення нових хімічних зв’язків за рахунок енергії АТФ.

4. Будова та механізми дії ферментів. Активний та алостеричний (регуляторний) центр

· каталітична дія ферментів реалізується за рахунок зниження останніми енергії активації (∆E) біохімічної реакції

Активні центри ферментів

Зниження енергії активації біохімічної реакції досягають за рахунок взаємодії субстратів із певними ділянками ферментної молекули (активними, або каталітичними центрами), що супроводжується зближенням та орієнтацією відповідних хімічних груп субст ратів і створює стеричні умови, необхідні для реалізації каталізу.

Активний центр — ділянка молекули ферментного білка, що взаємо діє із субстратом під час ферментативної реакції і необхідна для перетворення субстрату в каталітичному процесі. Він формується з певних ділянок поліпептидного ланцюга, щопросторово зближені зарахунок тривимірної конформації ферментного білка. До складу активних центрів різних ферментів входять ради кали певних амінокислотних залишків. В утворенні активних центрів беруть участь також кофактори даного ферменту: простетичні групи, іони металів. Активний центр локалізується в заглибленні, просторовій ніші, що утворюється в макромолекулі білка-ферменту. Структура активного центру є комплементарною до просторової будови субстрату.

У структурі активного центру розрізняють:

· ділянку, що зв’язує субстрат

· каталітично активну ділянку

Алостеричні ферменти — це різновид регуляторних ферментів, що, крім активного центру, мають додатковий регуляторний (алостеричний) центр, з яким взаємодіють алостеричні регулятори (ефектори, модулятори). Алостеричні ефектори можуть бути як позитивними, тобто такими, що збіль шують каталітичну активність ферменту (алостеричні активатори), так і нега тивними, тобто такими, що її гальмують (алостеричні інгібітори). Активний та регуляторний (алостеричний) центри локалізуються на різних білкових субодиницях — каталітичній та регуляторній. Модифікація каталітичної активності такого ферменту здійснюється шляхом передачі на каталітичні субодиниці конформаційних змін із регуляторних субодиниць, які відбуваються в останніх після взаємодії з ефекторами. Існують два фізичних стани алостеричного ферменту, що відрізняються своєю конформацією та каталітичною активністю: каталітичний (релаксований) стан та інгібірований стан.

Механізми перетворення субстрату за каталітичної дії ферменту:

· Ефекти зближення та орієнтації. Адсорбція та фізико-хімічна взаємодія субстратів з активними центрами ферментів супроводжуються локальним зростанням концентрації реагуючих молекул, їх зближенням та найбільш ефективною орієнтацією одна до одної та до каталітично активних груп активного центру.

· Ефекти кислотно-основного каталізу. Певні функціональні групи радикалів амінокислот, що входять до структури активних центрів, мають властивості донорів чи акцепторів протонів. Функціональні групи ≥N та –OH, що відіграють каталітичну роль, розміщені в різних ділянках пептидного ланцюга та зближуються за рахунок унікальної третинної структури ферментного білка.

· Ефекти нуклеофільного та електрофільного каталізу. Функціональні групи амінокислотних залишків, що входять до складу активних центрів, можуть виступати в каталітичному акті перетворення субстратів як донори електронів (нуклеофіли) або акцептори електронів (електрофіли).

5. Кофактори та коферменти. Будова та властивості коферментів, вітаміни як попередники в біосинтезі коферментів.

Кофактори та коферменти

· Кофактори

Багато ферментів потребують для реалізації своєї каталітичної активності наявності певних низькомолекулярних небілкових сполук — кофакторів. Роль кофакторів можуть відігравати біоорганічні сполуки різної хімічної природи або іони металів (Mg2+, Ca2+, Fe3+– Fe2+, Cu2+ – Cu1+ т.і.). Іони металів зв’язаніз апоферментом або входять до складу небілкової просте- тичної групи — найчастіше порфіринового кільця цитохромів, пероксидаз, каталази. Ферменти, які міцно зв’язані з іонами металів і не втрачають цього зв’язку за умов виділення та фракціонування ферменту, назваються металоферментами.

· Коферменти (коензими)

Біорганічні сполуки небілкової природи, що є необхідними для дії ферменту. Коферменти можуть сполучатися з білковою частиною нековалентними фізико-хімічними або ковалентними зв’язками (в останньому випадку вони є простетичними групами ферментного білка); деколи коферменти утворюють комплекси з апоферментом лише в ході каталітичного процесу (НАД, НАДФ).

Класифікація коферментів:

А. За хімічною природою коферменти підрозділяють на:

· похідні вітамінів: вітаміну В1 — тіаміндифосфат; вітаміну В2 — флавінмононуклеотид (ФМН); вітаміну В6 — піридоксальфосфат, піридоксамінфосфат; пантотенової кислоти — коензим А; вітаміну В12 — метилкобаламін, дезоксиаденозилкобаламін; вітаміну Н (біотину) — карбоксибіотин; фолієвої кислоти — тетрагідрофолієва кислота;

· динуклеотиди (похідні нікотинаміду — НАД+, НАДФ+; похідний рибофла віну — ФАД);

· нуклеотиди — похідні пуринів та піримідинів (АТФ, АДФ, ЦТФ, ЦДФ, УТФ, УДФ);

· комплекси порфіринів з іонами металів.

Інгібітори ферментів

Інгібітори — хімічні сполуки, що зменшують каталітичну активність ферментів. Дія інгібіторів є специфічною стосовно певних ферментів або груп ферментів, вони мають низьку концентрацію.

Залежно від характеру змін, що відбуваються вмолекулі ферменту, розрізняють:

– зворотне інгібірування

– незворотне інгібірування

1) Зворотне інгібірування ферментів, залежно від механізму взаємодії ферменту з інгібітором, поділяється на конкурентне та неконкурентне.

Конкурентне інгібірування викликають різні антиметаболіти, тобто сполуки, близькі за будовою до справжніх клітинних метаболітів: антивітаміни; речовини, близькі до амінокислот, пуринових та піримідинових основ і нуклеотидів. Конкурентні інгібітори збільшують константу Міхаеліса Кm ферменту і не впливають на Vmax реакції.

Неконкурентне інгібірування. Неконкурентні інгібітори не мають структурної подібності до субстрату. Вони реагують з іншими, відмінними від активнихцентрів, ділянками на молекулі ферменту і можуть зв’язуватися не тільки з вільним ферментом, а й із фермент-субстратним комплексом. Приєднання неконкурентного інгібітора доферменту зменшує його максимальну швидкість реакції (Vmax), але не впливає на спорідненість ферменту із субстратом (Кm) Неконкурентними інгібіторами є іони важких металів (Cu2+, Hg2+, Ag+) та їх похідні.

2) Незворотне інгібірування ферментів — процес, що відбувається внаслідок руйнування або незворотної хімічної модифікації однієї чи декількох функціональних груп ферменту.

Прикладом такої модифікації молекули ферменту є дія алкілуючих агентів (зокрема, йодацетаміду), що незворотно реагують із каталітично активними SH-групами. Практично важливим прикладом незворотного інгібірування ферменту шляхом ковалентного зв’язування інгібітора з активним центром є вплив фосфорор ганічних сполук (ФОС) на активність ферменту ацетилхолінестерази.

10. Типи інгібірування ферментів: зворотнє(конкурентне, неконкурентне) та незворотнє інгібування.

Інгібітори ферментів

Інгібітори — хімічні сполуки, що зменшують каталітичну активність ферментів. Дія інгібіторів є специфічною стосовно певних ферментів або груп ферментів, вони мають низьку концентрацію.

Залежно від характеру змін, що відбуваються вмолекулі ферменту, розрізняють:

– зворотне інгібірування

– незворотне інгібірування

1) Зворотне інгібірування ферментів, залежно від механізму взаємодії ферменту з інгібітором, поділяється на конкурентне та неконкурентне.

Конкурентне інгібіруванняс причиняють ліганди, що за своєю хімічною структурою близькі до субстрату і взаємодіють із тим самим активним центром на молекулі ферменту, що і субстрат. Конкурентне інгібірування викликають різні антиметаболіти, тобто сполуки, близькі за будовою до справжніх клітинних метаболітів: антивітаміни; речовини, близькі до амінокислот, пуринових та піримідинових основ і нуклеотидів. Конкурентні інгібітори збільшують константу Міхаеліса Кm ферменту і не впливають на Vmax реакції.

Неконкурентне інгібірування. Неконкурентні інгібітори не мають структурної подібності до субстрату. Вони реагують з іншими, відмінними від активних центрів, ділянками на молекулі ферменту і можуть зв’язуватися не тільки з вільним ферментом, а й із фермент-субстратним комплексом. Приєднання неконкурентного інгібітора доферменту зменшує його максимальну швидкість реакції (Vmax), але не впливає на спорідненість ферменту із субстратом (Кm) Неконкурентними інгібіторами є іони важких металів (Cu2+, Hg2+, Ag+) та їх похідні.

2) Незворотне інгібірування ферментів — процес, що відбувається внаслідок руйнування або незворотної хімічної модифікації однієї чи декількох функціональних груп ферменту.

Прикладом такої модифікації молекули ферменту є дія алкілуючих агентів (зокрема, йодацетаміду), що незворотно реагують із каталітично активними SH-групами. Практично важливим прикладом незворотного інгібірування ферменту шляхом ковалентного зв’язування інгібітора з активним центром є вплив фосфорор ганічних сполук (ФОС) на активність ферменту ацетилхолінестерази.

11. Регуляція ферментативних процесів. Шляхи та механізми регуляції: алос- теричні ферменти; ковалентна модифікація ферментів.

Існують два принципових шляхи регуляції інтенсивності, або швидкості біо- хімічних ферментативних реакцій:

А — через зміну каталітичної активності ферменту.

Б — череззміну кількості ферменту (або ферментів), що визначають перебіг ферментативного процесу.

А. Цей шлях забезпечує термінову адаптацію ферментного апарату організму і реалізується протягом декількох секунд або хвилин — механізм “швидкого реагування”. Існують чотири основних механізми регуляції каталітичної активності ферментів:

1. Алостерична регуляція активності ферментів.

2. Регуляція активності ферментів за рахунок їх ковалентної модифікації.

3. Активація ферментів шляхом обмеженого протеолізу.

4. Активація та гальмування активностей ферментів за допомогою особливих регуляторних білків.

Б. Другий шлях регуляції є механізмом довготривалої адаптації ферментного апарату. Для його включення і повної реалізації необхідно декілька годин або діб. У більшості випадків він полягає в змінах в інтенсивності біосинтезу певного ферментного білка за рахунок впливу на систему ядерного генома або рибосомального білкового синтезу.

Алостеричні ферменти — це різновид регуляторних ферментів, що, крім активного центру, мають додатковий регуляторний (алостеричний) центр, з яким взаємодіють алостеричні регулятори (ефектори, модулятори). Алостеричні ефектори можуть бути як позитивними, тобто такими, що збіль шують каталітичну активність ферменту (алостеричні активатори), так і нега тивними, тобто такими, що її гальмують (алостеричні інгібітори). Активний та регуляторний (алостеричний) центри локалізуються на різних білкових субодиницях — каталітичній та регуляторній. Модифікація каталітичної активності такого ферменту здійснюється шляхом передачі на каталітичні субодиниці конформаційних змін із регуляторних субодиниць, які відбуваються в останніх після взаємодії з ефекторами. Існують два фізичних стани алостеричного ферменту, що відрізняються своєю конформацією та каталітичною активністю: каталітичний (релаксований) стан та інгібірований стан.

Тканинне дихання

Реакції біологічного окислення складають молекулярну основу тканинного дихання — поглинання О2 живими тканинами, яке є інтегральним фізіологічним показником інтенсивності перебігу в них окислювально-відновлювальних процесів. Джерелом кисню для цього процесу є О2. У результаті тканинного дихання, яке відбувається в мітохондріях, атоми кисню включаються в молекулу води, а вуглець біоорганічних сполук, що окислюються, виділяється у формі двоокису вуглецю. Саме мітохондріальне дихання є біохімічною основою утворення та акумуляції вільної хімічної енергіі, яка використовується у ендергонічних процесах.

23.. Ферменти біологічного окислення в мітохондріях: піридин-, флавін-залежні дегідрогенази, цитохроми.

ФЕРМЕНТИ БІОЛОГІЧНОГО ОКИСЛЕННЯ

1. Дегідрогенази, залежні від нікотинамідних коферментів.

Коферментами цих дегідрогеназ є нуклеотиди НАД+ або НАДФ+, у структурі молекул яких міститься похідне піридину — нікотинамід. Зв’язок між НАД+ (або НАДФ+) та білковою частиною ферменту у складі піридинзалежних дегідрогеназ нестійкий: він утворюється та руйнується в процесі каталітичного циклу. Активною структурою в молекулі НАД+ або НАДФ+, що акцептує відновлювальні еквіваленти від субстрату, є піридинове кільце никотинаміду. У ході ферментативної реакції субстрат відщеплює два атоми водню, один з яких у формі гідрид-іону приєднується до піридинового кільця НАД(Ф) +, а другий у вигляді протону надходить у реакційне середовище.

НАД-залежні дегідрогенази — ці ферменти каталізують окислювально- відновлювальні реакції, що містяться на окислювальних шляхах метаболізму — гліколізу, циклу лимонної кислоти, β-окислення жирних кислот, окисного дезамінування амінокислот, дихального ланцюга мітохондрій.

НАДФ-залежні дегідрогенази — ці ферменти беруть участь у процесах від- новлювального синтезу, що відбуваються в цитозолі, зокрема постачають атоми водню при синтезі жирних кислот та стероїдів. Головним джерелом відновленого НАДФ є дегідрогеназні реакції пентозофосфатного шляху окислення глюкози.

Цитохроми

Цитохроми — залізовмісні білки мітохондрій. У цитохромах іон заліза входить до складу металопорфіринового комплексу (гемінове залізо), близького за хімічною структурою до простетичних груп гемоглобіну та міоглобіну. Виконують функцію транспорту електронів у ланцюгах біологічного окислення в аеробних клітинах. Залежно від характерних особливостей спектрів поглинання, розрізняють три класи цитохромів (a, b, c). У мітохондріях еукаріотів наявні п’ять різновидів цитохромів — b, c, c1, a, a3, в ендоплазматичному ретикулумі гепатоцитів містяться цитохроми Р-450 та b5, що беруть участь у реакціях окислювального гідроксилювання.

24. Послідовність компонентів дихального ланцюга мітохондрій. Молекулярні комплекси внутрішніх мембран мітохондрій.

Дихальний ланцюг мітохондрій — сукупність молекулярних компонентів, які вбудовані в ліпідний матрикс внутрішніх мітохондріальних мембран і здійснюють окислення біологічних субстратів та послідовне, ступеневе транспортування відновлювальних еквівалентів на кисень з утворенням молекули води.

Компоненти дихального ланцюга мітохондрій:

· НАДН-дегідрогеназа — компонент дихального ланцюга, що окислює відновлений НАД+ (НАДН); входить до складу молекулярного комплексу внутрішніх мітохондріальних мембран НАДН-коензим Q-редуктази.

· Сукцинатдегідрогеназа — компонент дихального ланцюга, що окислює янтарну кислоту; входить до складу молекулярного комплексу сукцинат-коензим Q-редуктази.

· Коензим Q (убіхінон) — виконує функцію колектора відновлювальних еквівалентів, акцептуючи протони та електрони не тільки від ФМН-залежної НАДН-дегідрогенази, а й від ФАД-залежних дегідрогеназ мітохондрій (сукцинатдегідрогенази та дегідрогеназ системи β-окислення жирних кислот тощо).

· Цитохроми мітохондрій: Цитохром b. Цитохром c1. Цитохром c. Цитохром a. Цитохром a3.

· Залізо-сіркові білки, що містять негемове залізо (FeS), — це білки, асоційовані з флавопротеїнами мітохондрій (металофлавопротеїнами) та цитохромом b.

Енергетика гліколізу

Враховуючи дві молекули АТФ, що використовуються на першій стадії гліколізу (гексокіназна та фосфофруктокіназна реакції), та чотири молекули АТФ, що утворюються на другій стадії (фосфогліцераткіназна та піруваткіназна реакції), сумарний процес аеробного та анаеробного гліколізу можна подати таким рівнянням:

С6 Н12O6 + 2 АДФ + 2 ФН = 2 C3 H4 O3 (C3 H6 O3) + 2 АТФ

Утворення в реакціях гліколізу молекул АТФ за рахунок безпосереднього перенесення макроергічних фосфатних груп від 1,3-диФГК та ФЕП на АДФ отримало назву субстратного фосфорилювання (“фосфорилювання на рівні субстрату”).

Таким чином, глікогенфосфорилаза і глікогенсинтаза регулюються реципрокно: активація глікогенфосфорилази (і фосфоролізу глікогену) відбувається в умовах інактивації глікогенсинтази (і синтезу глікогену).

37. Механізми реципрокної регуляції глікогенолізу та глікогенезу за рахунок каскадного цАМФ-залежного фосфорилювання ферментних білків.

Каталітично активна протеїнкіназа формується за умов її взаємодії з цАМФ, утворення якого в аденілатциклазній реакції є пусковою молекулярною подією, що включає каскадний механізм регуляції ферментних процесів у клітині. Активація аденілатциклази в гепатоцитах відбувається за умов взаємодії з мембранними рецепторами гормону α-клітин підшлункової залози глюкагону. В клітинах м’язів ферментний каскад глікогенолізу включається при взаємодії з β-адренорецепторами мембран міоцитів гормону мозкового шару надниркових залоз адреналіну.

Стимуляція каскаду фосфоролізу глікогену адреналіном або глюкагоном, яка супроводжується зростанням концентрації в клітинах цАМФ та активності цАМФ-залежних протеїнкіназ, призводить до фосфорилювання глікогенсинтази і її інактивації, тобто до пригнічення реакцій синтезу глікогену.

Таким чином, глікогенфосфорилаза і глікогенсинтаза регулюються реципрокно: активація глікогенфосфорилази (і фосфоролізу глікогену) відбувається в умовах інактивації глікогенсинтази (і синтезу глікогену).

38. Роль адреналіну, глюкагону та інсуліну в гормональній регуляції обміну глікогену в мязах та печінці.

А. У м’язах.

· Адреналін — стимулює глікогеноліз та гальмує глікогенез шляхом:

а) активації глікогенфосфорилази за рахунок її цАМФ-залежного фосфори- лювання;

б) інгібірування глікогенсинтази за рахунок її цАМФ-залежного фосфори- лювання.

· Інсулін — стимулює глікогенез і гальмує глікогеноліз шляхом:

а) підвищення проникності мембран м’язових клітин для глюкози, що вико- ристовується для синтезу глікогену;

б) зменшення внутрішньоклітинного рівня цАМФ за рахунок активації її розщеплення фосфодіестеразою.

Б. У печінці.

· Глюкагон — стимулює глікогеноліз та гальмує глікогенез за механізмом, аналогічним дії адреналізу в клітинах м’язів.

· Інсулін — підвищує активність ферментативних реакцій синтезу глікогену за рахунок біохімічних механізмів, близьких до розглянутих вище.

Таким чином, співвідношення глюкагон/інсулін є важливим фізіологічним механізмом, що контролює глікогенну функцію печінки та рівень глюкози в крові після споживання їжі:

– переважання інсуліну сприяє утворенню в організмі резервів вуглеводів у формі глікогену печінки;

– переважання глюкагону сприяє мобілізації запасів глікогену печінки в умовах зниження рівня глюкоземії, яке спостерігається через кілька годин після споживання їжі.

39. Генетичні порушення метаболізму глікогену (глікогенози, аглікогенози)

Спадкові порушення реакцій розщеплення або синтезу глікогену проявляються у вигляді ензимопатій — хвороб накопичення глікогену — глікогенозів та аглікогенозів.

Глікогенози

Глікогенози — спадкові хвороби, молекулярною основою виникнення яких є уроджена недостатність синтезу певних ферментів глікогенолізу, пов’язана з дефектами в генетичній системі клітин. При глікогенозах у внутрішніх органах та тканинах (здебільшого в печінці, м’язах, клітинах крові) спостерігається накопичення аномально надмірної кількості глікогену, іноді зі зміненою молекулярною структурою, який не може використовуватися у метаболічних процесах. Клінічно глікогенози проявляються важкою гіпоглюкоземією внаслідок нездатності глікогену печінки розщеплюватися з вивільненням молекул глюкози. Глікогенози, при яких ушкоджені ферментні системи мобілізації глікогену печінки, характеризуються збільшенням маси органа, жировою дистрофією гепатоцитів та явищами цирозу. Недостатність ферментних систем глікогенолізу в м’язах супроводжується судомами за умов фізичних навантажень.

Аглікогенози

Аглікогенози — спадкові хвороби накопичення глікогену, молекулярною основою яких є генетичні дефекти, що призводять до порушення утворення ферменту глікогенсинтази. Внаслідок недостатності глікогенсинтази гепатоцити не здатні утворювати резерви глікогену, концентрація якого всередині клітин значно зменшена. Внаслідок відсутності глікогенових резервів хворі при аглікогенозах, як і при глікогенозах, страждають від глибокої гіпоглюкоземії, особливо натщесерце, після значної перерви з часу надходження харчової глюкози. Гіпоглюкоземія при аглікогенозах може супроводжуватися важкою комою внаслідок енергетичного голодування головного мозку. Такі хворі звичайно вмирають у ранньому дитячому віці.

40. Глюконеогенез: субстрати, ферменти та фізіологічне значення процесу

Глюконеогенез (гліконеогенез) — синтез глюкози з невуглеводних метаболічних попередників, до яких належать: піруват (та лактат); деякі амінокислоти (глюкогенні амінокислоти); певна кількість глюкози може утворюватися з гліцеролу та продуктів катаболізму жирних кислот з непарною кількістю вуглецевих атомів у вуглеводневому ланцюзі.

Субстрати глюконеогенезу

Основними попередниками (субстратами) глюконеогенезу є піруват (лактат) та амінокислоти (переважно аланін), що утворюються, головним чином, у функціонуючих скелетних м’язах, еритроцитах та клітинах деяких інших тканин.

Глюкозо-лактатний цикл

Таким чином, формується циклічний процес (глюкозо-лактатний цикл, або цикл Корі), що пов’язує процеси утворення лактату в клітинах м’язової тканини в ході анаеробного гліколізу, його вихід у кров через плазматичні мембрани м’язових клітин і використання лактату (після окислення в піруват) в гепатоцитах для глюконеогенезу.Частина пірувату) окислюється в піруватдегідрогеназній реакції до ацетил-КоА. У скелетних м’язах ЛДГ-азна реакція перебігає переважно в бік утворення з пірувату лактату.За рахунок відновлення пірувату в лактат та подальшого його використання для глюконеогенезу в печінці (цикл Корі), скелетні м’язи не тільки втрачають “зайву” молочну кислоту, що утворюється в особливо значних кількостях при інтенсивній фізичній праці, а й підтримують високе співвідношення НАД+ /НАДН, необхідне для активного функціонування гліколізу (використання НАД+ у процесі гліколітичної оксидоредукції).

Глюкогенні амінокислоти

Безпосередніми попередниками глюкози при її синтезі є піруват, оксалоацетат та фосфоенолпіруват. Амінокислоти, які в результаті втрати аміногрупи (в реакціях дезамінування або трансамінування) перетворюються в зазначені безазотисті сполуки, можуть, таким чином, розглядатися як субстрати глюконеогенезу; такі амінокислоти отримали назву глюкогенних амінокислот. Глюконеогенез за участю амінокислот найбільш активний за умов повного голодування, коли підтримання рівня енергетичних процесів в організмі, зокрема нормальної концентрації глюкози крові та головного мозку, здійснюється за рахунок катаболізму власних тканинних білків.

Глюкозо-аланіновий цикл

Важливим субстратом глюконеогенезу в печінці є алані н, який може утворюватися в скелетних м’язах у зворотній реакції трансамінування пірувату з глутаматом: піруват + глутамат =L-аланін + + α-кетоглутурат. Вивільняючись із працюючих м’язів у кров, аланін поглинається гепатоцитами і (після перетворення в піруват) використовується в глюконеогенезі (глюкозо-аланіновий цикл)

42. Глюкоза крові(глюкоземія): нормоглікемія, гіпо- та гіперглікемії, глюкозурія. Цукровий діабет- патологія обміну глюкози

Нормальна концентрація глюкози в крові здорової людини складає 3 ,3-5,5 ммоль/л (60-100 мг %). Цей рівень глюкоземії є життєво необхідним для нормального енергетичного обміну головного мозку і підтримується за рахунок динамічної рівноваги між фізіологічними та біохімічними процесами, що поставляють глюкозу в кров, та відповідними процесами, що зменшують її кількість у плазмі крові за рахунок надходження у клітини внутрішніх органів. Зміни концентрації глюкози в плазмі крові призводять до зсувів у біосинтезі та секреції в кров гормонів, які мають найбільше значення для регуляції процесів ферментативного контролю метаболізму глюкози, головним чином глюкагону, інсуліну, глюкортикоїдів та соматотропіну. Співвідношення глюкагон/інсулін має найбільше значення для регуляції взаємовідношення між активностями процесів глюконеогенезу та гліколізу.

1. Зменшення рівня глюкоземії(гіпоглюкоземія, гіпоглікемія), що настає через декілька годин після останнього споживання їжі, супроводжується підвищенням рівня секреції α-клітинами острівкової частини підшлункової залози гормону глюкагону, який стимулює процеси глюконеогенезу. За рахунок активації каскадної аденілатциклазної системи в мембранах гепатоцитів глюкагон стимулює фосфороліз глікогену, що також робить свій внесок у збільшення рівня вільної глюкози.

2. Збільшення рівня глюкоземії (гіперглюкоземія, гіперглікемія) стимулює секрецію β-клітинами підшлункової залози гормону інсуліну, який підвищує ступінь проникності плазматичних мембран багатьох клітин для глюкози (окрімголовного мозку), сприяючи їх внутрішньоклітинному метаболізму. Інсулін зменшує швидкість синтезу ферментів глюконеогенезу в печінці та, навпаки, стимулює синтез ключових регуляторних ферментів гліколізу — гексокінази, фосфофруктокінази, піруваткінази, переводячи, таким чином, обмін глюкози з глюкогенного на гліколітичний шлях. Крім того, інсулін стимулює синтез у печінці та м’язах глікогену, що також є метаболічним процесом, спрямованим на зменшення концентрації вільної глюкози.

· Адреналін —гормон мозкової частини надниркових залоз, збільшення секреції якого призводить до підвищення вмісту глюкози в крові за рахунок стимуляції фосфоролізу глікогену в м’язах та частково в печінці, що, через Г-6-Ф-азну реакцію, супроводжується гіперглюкоземією.

· Глюкокортикоїди, основним представником яких є кортизол, стимулюють глюконеогенез за рахунок стимуляції синтезу в печінці ферментів глюконео- генезу — головним чином ФЕП-кінази, та ферментів, що перетворюють у субст- рати глюконеогенезу деякі глюкогенні амінокислоти (серин, тирозин, триптофан).

· Соматотропін — гормон аденогіпофіза, що, подібно до інсуліну, збільшує проникність плазматичних мембран клітин м’язової та жирової тканини для глюкози, але, на відміну від інсуліну, — активує глюконеогенез в печінці.

Цукровий діабет — ендокринна хвороба, що характеризується генетично детермінованим абсолютним або відносним дефіцитом гормону підшлункової залози інсуліну. В основі розвитку цукрового діабету лежить зниження продукції інсуліну в β-клітинах острівкового (інсулярного) апарату підшлункової залози або нездатність відповідних клітинних рецепторів реагувати на інсулін.

Відповідно до зазначеного розрізняють:

– інсулінозалежний цукровий діабет (ІЗЦД), який розвивається внаслідок руйнування значної кількості (звичайно більше 90 %) секретуючих інсулін β-клітин. Причиною деструкції β-клітин є генетично зумовлений автоімунний процес. ІЗЦД складає 10-15 % всіх випадків цукрового діабету і проявляється гіперглікемією та схильністю до кетонемії та кетоацидозу.

– інсулінонезалежний цукровий діабет (ІНЗЦД) — форма цукрового діабету, за якого у більшості хворих зберігаються β-клітини в інсулярній частині підшлункової залози, але порушені специфічні реакції клітин на дію інсуліну або регуляція його секреції під впливом збільшеної концентрації глюкози крові. Проявляється гіперглікемією та ожирінням. Найбільш характерним клініко-біохімічним проявом цукрового діабету є збільшення (порівняно з нормою) рівня глюкози в крові в умовах натщесерце або після прийому їжі, який перевищує значення, характерні для фізіологічної, алімен- тарної гіперглюкоземії.

У разі зростання рівнів глюкоземії більше 180 мг % (“нирковий поріг” для глюкози), остання починається виводитися із сечею — глюкозурія.

43. Гормональна регуляція концентрації та обміну глюкози в крові.

· Адреналін —гормон мозкової частини надниркових залоз, збільшення секреції якого призводить до підвищення вмісту глюкози в крові за рахунок стимуляції фосфоролізу глікогену в м’язах та частково в печінці, що, через Г-6-Ф-азну реакцію, супроводжується гіперглюкоземією.

· Глюкокортикоїди, основним представником яких є кортизол, стимулюють глюконеогенез за рахунок стимуляції синтезу в печінці ферментів глюконео- генезу — головним чином ФЕП-кінази, та ферментів, що перетворюють у субст- рати глюконеогенезу деякі глюкогенні амінокислоти (серин, тирозин, триптофан).

· Соматотропін — гормон аденогіпофіза, що, подібно до інсуліну, збільшує проникність плазматичних мембран клітин м’язової та жирової тканини для глюкози, але, на відміну від інсуліну, — активує глюконеогенез в печінці.

44. Пентозофосфатний шлях окислення глюкози:схема процесу та біологічне значення.

Альтернативний механізм метаболізму глюкози — пентозофосфатний (фосфо- глюконатний) шлях, в результаті функціонування якого утворюється інший тип метаболічної енергії, а саме — відновлений НАДФ+ (НАДФН), що в подальшому використовується у різних реакціях відновлювального біосинтезу, зокрема синтезу ліпідів. Крім генерації НАДФН, пентозофосфатний шлях є постачальником пентоз, необхідних для синтезу багатьох важливих біомолекул.

Перетворення фруктози

Включення фруктози в обмін глюкози здійснюється при дії таких ферментів:

а) неспецифічної гексокінази, що каталізує фосфорилювання різних гексоз:

D-фруктоза + АТФ = D-фруктозо-6-фосфат + АДФ

Продукт реакції — D-фруктозо-6-фосфат є метаболітом гліколітичного окислення глюкози. Цей шлях метаболізму фруктози реалізується в клітинах багатьох органів, особливо в м’язах і нирках;

б) специфічної фруктокінази, що каталізує фосфорилювання фруктози не за 6-м, а за 1-м вуглецевим атомом: D-фруктоза + АТФ = D-фруктозо-1-фосфат + АДФ

Фруктокіназний шлях перетворення фруктози функціонує в печінці.

Продукт реакції — D-фруктозо-1-фосфат розщеплюється під дією альдолази на дві тріози: D-фруктозо-1-фосфат = гліцеральдегід + діоксіацетонфосфат