Обмен углеводов - Материалы для подготовки по биохимии

1. Окисление глюкозы в клетках.

2. Метаболизм пировиноградной кислоты.

3. Схематичное представление полного окисления молекулы глюкозы.

        Углеводы наряду с белками и липидами являются важнейшими биологическими соединениями. В организме животных имеются несколько десятков  разных моносахаридов и много различных олиго- и полисахаридов. Функции углеводов заключаются в том, что они, прежде всего, служат источником энергии. За счет их окисления обеспечивается около половины всей потребности животного в энергии, при этом главная роль принадлежит глюкозе и гликогену. Углеводы входят в состав структурно-функциональных компонентов клеток. Из углеводов могут синтезироваться соединения других классов, в частности липиды и некоторые аминокислоты. В организме животных и человека наиболее распространенным углеводом является глюкоза.

      Глюкоза – постоянная составная часть крови. Несмотря на периодическое поступление и постоянное изымание клетками, уровень глюкозы в крови поддерживается на определенном постоянном, характерном для каждого вида животного уровне.  У человека содержание глюкозы в крови колеблется от 80 до 120  мг%. Концентрация глюкозы в крови у различных видов с/х животных составляет,  мг%:

     лошади            75-95          свиньи    80-100

     коровы             40-60          кролики 100-200

В поддержании постоянства уровня глюкозы в крови участвуют множество органов и тканей, физиологических и биохимических процессов. Центральную роль в этом процессе играют гликогенная функция печени и глюконеогенез.

Избыточное количество глюкозы, поступающего из желудочно-кишечного тракта, в клетках печени превращается в гликоген. Реакции синтеза гликогена катализируются 1,4- и 1,6-глюкозилтрансферазами. Последнюю также называют гликогенветвящийся ферментом. В условиях недостаточного поступления глюкозы в кровь или снижения её уровня, гликоген печени расщепляется путем фосфорилаза и служит источником глюкозы.

Гликоген синтезируется во всех клетках организма. Особенно много его в клетках лимфоидной ткани и мышечной ткани, где  служит легко мобилизуемым источником энергии.

Глюконеогенез – образование или синтез глюкозы из продуктов неуглеводистого характера. Это может быть метаболиты липидного и белкового обмена, а также другие соединения, такие как пируват, молочная кислота и др.    

       Углеводный обмен в организме животных и человека складывается из следующих основных процессов:

-      расщепление в желудочно-кишечном тракте полисахаридов и дисахаридов пищи, всасывание моносахаридов из кишечника в кровь;

-      синтез и распад гликогена в тканях, прежде всего в печени;

-      анаэробное и аэробное  окисление глюкозы.

-      взаимопревращение гексоз;

-      метаболизм пирувата. Этот процесс выходит за рамки углеводного обмена, однако может рассматриваться как промежуточная его стадия.

Окисление глюкозы

Окисление глюкозы, как все процессы окисления в целом, бывает аэробное и анаэробное.

Аэробное окисление или прямое окисление, или петозофосфатный путь окисления глюкозы по биоэнергетике не является главным. Основное его предназначение в снабжении клетки с фосфорилированными пентозами, в создании условий для взаимопревращений гексоз, а также в генерации восстановителей типа НАДФН.

Анаэробное окисление глюкозы – гликолиз.

Гликолиз – центральный путь катаболизма глюкозы. Гликолиз – биохимический процесс, в ходе которого молекула глюкозы в десяти последовательных реакциях расщепляется до двух молекул пировиноградной кислоты (пируват).

Условно, гликолиз можно рассматривать в двух стадиях по пять реакций в каждой. Если первую стадию можно

назвать подготовительной, то вторую – энергетической.

Первая стадия:

1. Фосфорилирование глюкозы. Фермент - гексокиназа. Расходуется АТФ, продукт реакции – глюкоза-6-фосфат;

Фермент гексокиназа способен катализировать  фосфорилирование не только D-глюкозы, но и других гексоз, в частности D-фруктозы, D-маннозы и т.д.  В печени, кроме гексокиназы, существует фермент  глюкокиназа, который катализирует фосфорилирование только D-глюкозы.

2. Изомеризация глюкоза-6-фосфат в фруктоза-6-фосфат. Фермент – фосфоглюкоизомераза.

3. Фосфорилирование фруктозы-6-фосфат с образованием фруктоза-1,6-дифосфат. Фермент - фосфофруктокиназа, расходуется АТФ.

Данная реакция практически необратима, протекает в присутствии ионов магния и является наиболее медленно текущей реакцией гликолиза и определяет скорость гликолиза в целом.

4. Альдолазная реакция. Фермент – альдолаза (углерод – углерод лиаза). В целом, можно сказать, что предыдущие реакции служат для подготовки данной реакции. Фруктоза-1,6-дифосфат расщепляется на две фосфотриозы – диоксиацетонфосфат и фосфоглицериновый альдегид.

 5. Изомеризация триозофосфатов. Катализируется  триозофосфатизомеразой.

Равновесие данной реакции сдвинуто в сторону образования диоксиацетонфосфата. Однако из-за того, что в последующие реакции гликолиза вовлекается только глицеральдегид-3-фосфат, по мере его  потребления диоксиацетонфосфат превращается в глицеральдегид-3-фосфат.

Таким образом, в первой стадии, в реакциях фосфорилирования, расходуется 2 молекулы АТФ и образуются триозофосфаты - 2 молекулы 3-фосфоглицеральдегида, которые вовлекаются в окисление во второй стадии.

Вторая стадия:

1. Окислительное фосфорилирование глицеральдегид-3-фосфата. Фермент НАД содержащая дегидрогеназа, участвует неорганический фосфат, продукт реакции - макроэргическое соединение 1,3-дифосфоглицерат. Выделяется НАДН2.

Значение этой реакции в том, что энергия, высвобождающаяся при окислении фосфоглицеральдегида, запасается в макроэргической фосфатной связи дифосфоглицерата.

2. Реакция является логическим продолжением предыдущей. Катализируется фосфоглицераткиназой, при этом происходит передача богатого энергией фосфатного остатка (фосфатной группы в положении 1) на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицериновой кислоты (3-фосфоглицерат).

3. Внутримолекулярный перенос  фосфатной группы, и превращение 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат. Фермент фосфоглюкомутаза.

4. Реакция дегидратации. 2-фосфоглицерат в результате отщепления молекулы воды превращается в фосфоенолпировиноградную кислоту (фосфоенолпируват), а фосфатная связь в положении 2 становится высокоэргической.

5. Перенос макроэргической фосфатной группы на АДФ. Фермент – пируваткиназа, продукт – пируват и выделяется АТФ.

Во второй стадии образуются 2 молекулы пируват, выделяются 2 НАДН2 и 4 АТФ.

Суммарное уравнение гликолиза:

Глюкоза ® 2 пируват + 2НАДН2 + 2АТФ

          Рис. 18. Химизм гликолиза.

В гликолиз могут вовлекаться и другие углеводы, только моносахариды при этом должны превращаться в глюкозу. Если гликолиз начинается с предварительного расщепления гликогена, т.е. источником глюкозы является гликоген, то процесс называется – гликогенолиз.

Метаболизм пирувата.

Пируват – конечный продукт гликолиза. В организме высших животных и человека в зависимости от условий и состояния клеток подвергается дальнейшему превращению двумя основными способами.

1. В условиях кислородной недостаточности пируват  превращается в молочную кислоту (лактат). Гликолиз, с последующим превращением пирувата в лактат, называется молочнокислое брожение. В анаэробных условиях, когда кислород не успевает доставляться к тканям, например, клеткам мышечной ткани  при больших физических нагрузках, данный процесс служит одним из важнейших источников АТФ.

Брожение – общий термин, означающий анаэробный распад органических молекул. В основе брожения углеводов лежит гликолиз. По конечному продукту выделяют различные виды брожения, и все они эволюционно развивались как способ добывания живыми клетками энергии из органических молекул.

 Молочнокислое брожение, например, лежит в основе жизнедеятельности молочнокислых бактерий.

 У некоторых микроорганизмов: дрожжей рода Saccharomyces, бактерий различных таксономических групп (Erwinia amylovora, Zymomonas mobilis), а также у мезофильных и термофильных бактерий (Lactococcus lactis, Clostridium thermohydrosulfuri-cum) пируват превращается в этиловый спирт – спиртовое брожение.

Различают также пропионовокислое, маслянокислое и др. виды брожения.

2. В аэробных условиях пировиноградная кислота подвергается окислительному декарбоксилированию в присутствии кофермента А и превращается в ацетил-КоА. Дальнейшая судьба ацетильных групп весьма предсказуема – окисление в цикле Кребса с последующим переносом электронов в дыхательной цепи.

Схематичное представление полного окисления

молекулы глюкозы.

Любые химические превращения глюкозы в клетках животных и человека начинается с её фосфорилирования под действием ферментов гексо- или глюкокиназ с образованием глюкоза-6-фосфат. 6-фосфоглюкоза в дальнейшем может использоваться в трех основных направлениях.

Рис. 19. Основные пути превращений глюкозы

Во-первых, синтез гликогена. Первая реакция на этом пути - превращение глюкозы-6-фосфат в глюкозу-1-фосфат, катализируется фосфоглюкомутазой.

Во-вторых, аэробное окисление или пентозофосфатный путь превращения. Первая реакция этого пути превращений - прямое окисление 6-фосфоглюкозы с образованием 6-фосфоглюконат.

В третьих, вовлечение глюкозы в гликолиз.

Полное окисление глюкозы (биологическое окисление) до СО2 и Н2О можно рассматривать в трех стадиях.

Первой стадия - гликолиз.

Глюкоза => 2 Пируват + 2НАДН2 + 2 АТФ;

 Вторая или промежуточная стадия - окислительное декарбоксилирование пирувата:

2 Пируват => 2Ацетил-КоА + 2НАДН2

Заключительная стадия - окисление 2 молекул ацетил-КоА в цикле Кребса с последующим переносом  электронов в дыхательной цепи.

2Ацетил-КоА => 2 АТФ + 6НАДН2 + 2 ФАДН2 = 24 АТФ (см.выше).

Таким образом, суммарный выход АТФ при полном окислении одной молекулы глюкозы - 38 молекул.