Анаболические функции цикла Кребса

Цикл Кребса выполняет не только катаболическую функцию. Метаболиты цикла Кребса участвуют в различных анаболических процессах. Цитрат используется в синтезе жирных кислот, α-кетоглутарат и оксалоацетат – в синтезе аминокислот, малат – субстрат глюконеогенеза, сукцинил-КоА участвует в синтезе гема.

Реакции, пополняющие метаболиты цикла Кребса, называются анаплеротическими. Наиболее важной из них является карбоксилирование пирувата с образованием оксалоацетата. К анаплеротическим реакциям относятся также образование α-кетоглутарата и оксалоацетата в реакциях трансаминирования аминокислот, α–кетоглутарата в глутаматдегидрогеназной реакции.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение понятиям «метаболизм», «катаболизм», «анаболизм».

2. Перечислите органоиды катаболической и анаболической систем.

3. Какие основные этапы включает катаболизм?

4. Какие пути ресинтеза АТФ Вам известны?

5. Где локализована электронотранспортная цепь? Какие соединения являются донорами протонов и электронов для дыхательной цепи?

6. Поясните механизм действия дыхательной цепи.

7. Охарактеризуйте строение и механизм действия протонной АТФ-синтазы.

8. Что понимают под энергетическим зарядом клетки?

9. Перечислите формы гипоэнергетических состояний и их причины.

10. Что такое разобщение дыхания и фосфорилирования, в чем его биологическая роль?

11. Приведите примеры свободнорадикальных процессов в клетке, охарактеризуйте их значение для организма.

12. Какие вещества входят в состав антиоксидантной системы?

13. Что такое микросомальное окисление? Каковы его функции?

14. Приведите схему окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты.

15. Охарактеризуйте строение пируватдегидрогеназного комплекса.

16. Приведите общую схему цитратного цикла. Какие ферменты катализируют превращения субстратов в этом цикле?

17. Какова роль реакций дегидрирования в цикле Кребса?

18. Как происходит регуляция окислительного декарбоксилирования пирувата и цикла Кребса?

19. Какова роль и энергетическая ценность общего пути катаболизма?

20. В чем состоят анаболические функции цикла Кребса?

ОБМЕН УГЛЕВОДОВ

ПЕРЕВАРИВАНИЕ углеводов

Углеводы пищи - источник углеводов организма.

Норма потребления углеводов - 400-500 г/сутки, с ними поступает основное количество калорий, необходимое человеку.

Основная функция углеводов в организме – энергетическая. В составе гликопротеинов они выполняют защитную функцию, используются для синтеза НК.

Крахмал - форма накопления глюкозы растениями; лактоза содержится в грудном молоке; глюкоза и фруктоза - в меде и фруктах; мальтоза поступает с продуктами, в которых крахмал частично гидролизован, например с солодом.

Пищевые поли- и дисахариды подвергаются перевариванию в пищеварительном тракте, где происходит ферментативный гидролиз гликозидных связей. Образуются моносахариды, которые всасываются, поступают в кровь и ткани.

Крахмал частично переваривается в ротовой полости a-амилазой слюны, расщепляющей a-1,4-гликозидные связи. Образуются декстрины и мальтоза.

Желудочный сок не содержит ферментов, расщепляющих пищевые углеводы. Амилаза слюны в желудке инактивируется, т.к. рН желудочного сока» 2, а рН-оптимум амилазы слюны 6,7. Внутри пищевого комка амилаза некоторое время действует.

Панкреатическая амилаза гидролизует крахмал в верхнем отделе тонкой кишки путем последовательного отщепления дисахаридных остатков. Образуются мальтоза и изомальтоза.

Мальтоза, изомальтоза, сахароза, лактоза гидролизуются соответсвуенно мальтазой, изомальтазой, сахаразой, лактазой на поверхности клеток тонкой кишки (пристеночное пищеварение) до мономеров. Дисахаридазы вырабатываются клетками кишечника.

Целлюлоза не расщепляется в желудочно-кишечном тракте: у человека не вырабатывается фермент, гидролизующий b-1,4-гликозидные связи. Непереваренная целлюлоза растительной пищи способствует нормальной перистальтике кишечника.

Транспорт моносахаридов через мембрану происходит путем облегченной диффузии или вторично-активного транспорта.

Na⁺-глюкозный ко-транспортер, или симпортер, осуществляет вторично-активный транспорт глюкозы. Градиент концентрации Na⁺ поддерживается посредством работы Na⁺,K⁺-зависимой АТФазы. Подобным образом транспортируется и галактоза.

Глюкоза может транспортироваться через мембрану также путем облегченной диффузии с помощью белков-переносчиков. Скорость трансмембранного потока глюкозы зависит от градиента ее концентрации. Известны 14 типов глюкозотранспортеров (ГЛЮТ). Так, основная функция ГЛЮТ-1 – обеспечение клеток мозга глюкозой. В клетках мышц и жировой ткани находятся инсулинзависимые переносчики (ГЛЮТ-4). В отсутствие инсулина мембраны этих тканей непроницаемы для глюкозы.

Фруктоза всасывается путем облегченной диффузии.

Наследственные или приобретенные дефекты ферментов, гидролизующих углеводы, - одна из причин нарушения пищеварения. Накопление непереваренных углеводов повышает приток воды в просвет кишечника, что вызывает спазмы и диарею. Действие бактерий на негидролизованные углеводы приводит к метеоризму. Часто встречается непереносимость молока, связанная с дефицитом лактазы.

Большая часть глюкозы (90%) поступает с кровью через воротную вену в печень. В клетке глюкоза фосфорилируется (активная форма) и подвергается дальнейшим превращениям.

 

ОБМЕН ГЛИКОГЕНА

Гликоген – главный резервный гомолисахарид человека, мономером которого является глюкоза. Остатки глюкозы соединены в линейных участках a-1,4-гликозидными связями, в местах разветвления - a-1,6-гликозидными связями. Разветвленная структура гликогена создает много концевых мономеров, ускоряющих процессы его распада или синтеза. Гликоген депонируется в печени и скелетных мышцах и хранится в цитозоле в форме гранул. Метаболические пути синтеза и распада гликогена различны.

Синтез гликогена (гликогенез) происходит в течение 1-2 часов после приема углеводной пищи и требует затрат АТФ.

1). Фосфорилирование глюкозы при участии гексокиназы (в печени – глюкокиназы) с образованием глюкозо-6-фосфата, который переходит в глюкозо-1-фосфат (фермент – фосфоглюкомутаза):

2). При участии глюкозо-1-фосфат-уридилилтрансферазы глюкозо-1-фосфат, взаимодействуя с УТФ, образует УДФ-глюкозу и пирофосфат:

глюкозо-1-фосфат + УТФ «УДФ-глюкоза + РР_i.

3). Перенос глюкозного остатка, входящего в состав УДФ-глюкозы, на гликозидную цепь гликогена («затравочное» количество), фермент - гликогенсинтаза. Гликогенсинтаза катализирует образование a-1,4-гликозидной связи. Активация гликогенсинтазы происходит при участии инсулина.

 

Образование a-1,6-гликозидной связи обеспечивает гликогенветвящий фермент, который переносит олигосахаридный фрагмент (6-7 остатков глюкозы) на 6-гидроксильную группу остатка глюкозы той же или другой цепи гликогена.

Распад гликогена (гликогенолиз) – процесс перехода гликогена из запасной формы в метаболическую (глюкоза).

Под действием гликогенфосфорилазы гликоген распадается на глюкозо-1-фосфат без предварительного расщепления на фрагменты.

Фосфорилаза существует в двух формах – фосфорилаза а (активна, состоит из 4 субъежиниц) и фосфорилаза b (неактивна, состоит из 2 субъединиц). Превращение фосфорилазы а в фосфорилазу b осуществляется фосфорилированием белка киназой фосфорилазы:

2фосфорилаза b + 4АТФ → фосфорилаза а + 4АДФ.

Неактивная киназа фосфорилазы превращается в активную при участии фермента цАМФ-зависимой протеинкиназы. цАМФ образуется из АТФ под действием аденилатциклазы, активируемой адреналином и глюкагоном. В результате из гликогена образуется глюкозо-1-фосфат.

Глюкозо-1-фосфат под действием фосфоглюкомутазы превращается в глюкозо-6-фосфат.

В печени из глюкозо-6-фосфата путем гидролитического отщепления фосфата (фермент – глюкозо-6-фосфатаза) получается глюкоза. Т.о., печень участвует в поддержании постоянного уровня глюкозы в крови.

В клетках мышечной ткани отсутствует фермент глюкозо-6-фосфатаза. Образования глюкозы не происходит. Плазматическая мембрана непроницаема для глюкозо-6-фосфата, и он используется мышечной тканью.

 

ГЛИКОЛИЗ

Гликолиз – последовательность ферментативных реакций, приводящих к расщеплению глюкозы с образованием ПВК, сопровождающихся образованием АТФ (в цитозоле клетки). Различают два вида гликолиза – аэробный и анаэробный.

Аэробный гликолиз: образуется ПВК, поступающая в митохондрии. В аэробных условиях ПВК далее, в общем пути катаболизма, распадается до СО₂ и Н₂О. Аэробный гликолиз – часть аэробного распада глюкозы.

Анаэробный гликолиз: образуется ПВК, которая затем превращается в лактат. Анаэробный распад глюкозы и анаэробный гликолиз – синонимы. Анаэробный гликолиз протекает в первые минуты мышечной работы, в эритроцитах (нет митохондрий), при недостаточном поступлении кислорода.

Реакции гликолиза:

1). Фосфорилирование глюкозы. Реакцию катализирует гексокиназа, в паренхиматозных клетках печени - глюкокиназа. Образование глюкозо-6-фосфата в клетке - ловушка для глюкозы, т.к. мембрана для фосфорилированной глюкозы непроницаема. Глюкозо-6-фосфат - аллостерический ингибитор реакции.

2). Реакция изомеризации при участии глюкозо-6-фосфатизомеразы:

3) Лимитирующая стадия - реакция фосфорилирования, катализируемая 6-фосфофруктокиназой, которая ингибируется АТФ и цитратом, активируется - АМФ.

4). Реакция альдольного расщепления при участии альдолазы.

5). Изомеризация диоксиацетонфосфата, фермент – триозофосфатизомераза:

1 молекула глюкозы превращается в 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата (реакции 4, 5).

6). Реакция окисления, фермент - глицеральдегидфосфатдегидрогеназа:

7). Субстратное фосфорилирование при участии фосфоглицераткиназы:

8). Внутримолекулярный перенос фосфатной группы, фермент - фосфоглицеромутаза:

9). Реакция дегидратации при участии енолазы:

10). Субстратное фосфорилирование, фермент - пируваткиназа:

11). В анаэробных условиях протекает реакция восстановления пирувата в лактат под действием фермента лактатдегидрогеназы:

Суммарное уравнение анаэробного гликолиза:

Анаэробный гликолиз не нуждается в дыхательной цепи.

Выход АТФ при анаэробном гликолизе: АТФ образуется за счет двух реакций субстратного фосфорилирования: из 1,3-бисфосфоглицерата – 7 реакция, и из фосфоенолпирувата – 10 реакция. Учитывая, что 1 молекула глюкозы расщепляется на 2 триозы и дает 2 молекулы глицеральдегидфосфата, образуется 4АТФ. 2АТФ расходуется на активацию глюкозы (реакции 1 и 3 гликолиза). Суммарно:

4АТФ - 2АТФ = 2АТФ.

Выход АТФ при аэробном распаде глюкозы: полный аэробный распад глюкозы включает аэробный гликолиз, продуктом которого является пируват, и реакции общего пути катаболизма.

В аэробном гликолизе за счет субстратного фосфорилирования образуется 2АТФ. Также на 1 молекулу глюкозы образуется 2НАДН+Н⁺, и в результате в дыхательной цепи синтезируется 2х3АТФ = 6АТФ.

Общий путь катаболизма на одну молекулу ПВК дает 15 АТФ, на 2 – 30.

Итого:

2АТФ +6АТФ + 30АТФ = 38АТФ.