Окисляване на глюкозата до CO 2 и Н 2 O (аеробно разграждане).Аеробното разграждане на глюкозата може да се изрази чрез обобщеното уравнение:
C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 > 6 CO 2 + H 2 O + 2820 kJ/mol.
Този процес включва няколко етапа (фиг. 7-33).
Аеробната гликолиза е процесът на окисляване на глюкозата до образуване на две молекули пируват;
Общият път на катаболизма, включително превръщането на пирувата в ацетил-КоА и неговото по-нататъшно окисление в цитратния цикъл;
CPE за кислород, съчетан с реакции на дехидрогениране, възникващи по време на разграждането на глюкозата.
В определени ситуации снабдяването на тъканите с кислород може да не отговаря на техните нужди. Например, в началните етапи на интензивна мускулна работа при стрес, сърдечните контракции може да не достигнат желаната честота и нуждите на мускулите от кислород за аеробно разграждане на глюкозата са високи. В такива случаи се активира процес, който протича без кислород и завършва с образуването на лактат от пирогроздена киселина. Този процес се нарича анаеробно разграждане или анаеробна гликолиза. Анаеробното разграждане на глюкозата е енергийно неефективно, но този процес може да се превърне в единствения източник на енергия за мускулната клетка в описаната ситуация. По-късно, когато снабдяването на мускулите с кислород е достатъчно в резултат на преминаването на сърцето към ускорен ритъм, анаеробното разграждане преминава към аеробно. Пътищата на катаболизъм на глюкозата и техният енергиен ефект са показани на фиг. 7-34.
B. Аеробна гликолиза
Аеробната гликолиза е процесът на окисление на глюкозата до пирогроздена киселина, който протича в присъствието на кислород. Всички ензими, които катализират реакциите на този процес, са локализирани в цитозола на клетката.
1. Етапи на аеробна гликолиза
Аеробната гликолиза може да бъде разделена на два етапа.
Подготвителният етап, по време на който глюкозата се фосфорилира и разделя на две фосфотриозни молекули. Тази поредица от реакции протича с помощта на 2 молекули АТФ.
Етап, свързан със синтеза на АТФ. Чрез тази поредица от реакции фосфотриозите се превръщат в пируват. Освободената на този етап енергия се използва за синтезиране на 10 mol АТФ.
2. Реакции на аеробна гликолиза
Превръщане на глюкозо-6-фосфат в 2 молекули глицералдехид-3-фосфат
Глюкозо-6-фосфатът, образуван в резултат на фосфорилирането на глюкозата с участието на АТФ, се превръща във фруктозо-6-фосфат в следващата реакция. Тази обратима реакция на изомеризация протича под действието на ензима глюкозофосфат изомераза.
Това е последвано от друга реакция на фосфорилиране, използваща фосфатния остатък и енергията на АТФ. В тази реакция, катализирана от фосфофруктокиназа, фруктозо 6-фосфатът се превръща във фруктозо 1,6-бифосфат. Тази реакция, подобно на хексокиназната реакция, е практически необратима и освен това е най-бавната от всички гликолитични реакции. Реакцията, катализирана от фосфофруктокиназа, определя скоростта на цялата гликолиза, следователно чрез регулиране на активността на фосфофруктокиназата е възможно да се промени скоростта на катаболизма на глюкозата.
Фруктоза 1,6-бисфосфат допълнително се разгражда на 2 триозофосфата: глицералдехид 3-фосфат и дихидроксиацетон фосфат. Реакцията се катализира от ензим фруктозо бифосфат алдолаза,или просто алдолаза.Този ензим катализира както реакциите на алдолно разцепване, така и алдолна кондензация, т.е. обратима реакция. Продуктите от реакцията на алдолно разцепване са изомери. Последващите гликолитични реакции използват само глицералдехид 3-фосфат, така че дихидроксиацетон фосфатът се превръща от ензима триозофосфат изомераза в глицералдехид 3-фосфат (Фигура 7-35).
В поредицата от описани реакции фосфорилирането се извършва два пъти с помощта на АТФ. Въпреки това, консумацията на две молекули АТФ (на една молекула глюкоза) тогава ще бъде компенсирана от синтеза на повече АТФ.
Превръщане на глицералдехид-3-фосфат в пируват
Тази част от аеробната гликолиза включва реакции, свързани със синтеза на АТФ. Най-сложната реакция в тази поредица от реакции е превръщането на глицералдехид-3-фосфат в 1,3-бисфосфоглицерат. Тази трансформация е първата окислителна реакция по време на гликолизата. Реакцията се катализира глицералдехид-3-фосфат дехидрогеназа,който е NAD-зависим ензим. Значението на тази реакция се състои не само във факта, че се образува редуциран коензим, чието окисление в дихателната верига е свързано със синтеза на АТФ, но и във факта, че свободната енергия на окисление се концентрира във високо -енергийна връзка на реакционния продукт. Глицералдехид-3-фосфат дехидрогеназата съдържа цистеинов остатък в активния център, чиято сулфхидрилна група участва пряко в катализата. Окисляването на глицералдехид-3-фосфат води до намаляване на NAD и образуване на високоенергийна анхидридна връзка в 1,3-бисфосфоглицерат в позиция 1 с участието на H3PO4.В следващата реакция високоенергийният фосфат се прехвърля към ADP с Образуване на АТФ. Ензимът, който катализира това превръщане, се нарича фосфоглицерат киназа след обратната реакция (киназите са кръстени на субстрата от същата страна като АТФ в уравнението на реакцията). Тази поредица от реакции е показана на фиг. 7-36.
Образуването на АТФ по този начин не е свързано с дихателната верига и се нарича субстратно фосфорилиране на АДФ. Образуваният 3-фосфоглицерат вече не съдържа високоенергийна връзка. В следващите реакции възникват вътрешномолекулни пренареждания, чийто смисъл е, че нискоенергиен фосфоестер се трансформира в съединение, съдържащо високоенергиен фосфат. Вътрешномолекулярните трансформации включват прехвърляне на фосфатен остатък от позиция 3 във фосфоглицерат към позиция 2. След това водната молекула се отцепва от получения 2-фосфоглицерат с участието на ензима енолаза. Името на дехидратиращия ензим е дадено от обратната реакция. В резултат на реакцията се образува заместен енол - фосфоенолпируват. Полученият фосфоенолпируват е високоенергийно съединение, чиято фосфатна група се прехвърля в следващата реакция към ADP с участието на пируват киназа (ензимът е кръстен и на обратната реакция, при която се получава фосфорилиране на пируват, въпреки че такава реакция не се провежда в тази форма).
Превръщането на фосфоенолпируват в пируват е необратима реакция. Това е втората реакция на фосфорилиране на субстрата по време на гликолиза. Получената енолна форма на пируват след това се превръща неензимно в по-термодинамично стабилна кето форма. Описаната серия от реакции е представена на фиг. 7-37.
Ориз. 7-37. Превръщане на 3-фосфоглицерат в пируват.
Диаграма на 10 реакции, протичащи по време на аеробна гликолиза и по-нататъшно окисление на пируват, е представена на фиг. 7-33.
Окисляване на цитоплазмения NADH в митохондриалната дихателна верига. Совалкови системи
NADH, образуван от окисляването на глицералдехид-3-фосфат при аеробна гликолиза, претърпява окисление чрез прехвърляне на водородни атоми към митохондриалната дихателна верига. Цитозолният NADH обаче не е в състояние да пренесе водород към дихателната верига, тъй като митохондриалната мембрана е непропусклива за него. Преносът на водород през мембраната се осъществява с помощта на специални системи, наречени "совалка". В тези системи водородът се транспортира през мембраната с участието на двойки субстрати, свързани от съответните дехидрогенази, т.е. От двете страни на митохондриалната мембрана има специфична дехидрогеназа. Известни са 2 совалкови системи. В първата от тези системи водородът от NADH в цитозола се прехвърля към дихидроксиацетон фосфат чрез ензима глицерол-3-фосфат дехидрогеназа (NAD-зависим ензим, наречен на обратната реакция). Глицерол-3-фосфатът, образуван по време на тази реакция, се окислява допълнително от ензима на вътрешната митохондриална мембрана - глицерол-3-фосфат дехидрогеназа (FAD-зависим ензим). След това протони и електрони от FADH 2 се преместват към убихинон и по-нататък по CPE (фиг. 7-38).
Совалковата система на глицерол фосфат действа в белите мускулни клетки и хепатоцитите. Въпреки това митохондриалната глицерол-3-фосфат дехидрогеназа отсъства в клетките на сърдечния мускул. Втората совалкова система, която включва малатни, цитозолни и митохондриални малат дехидрогенази, е по-универсална. В цитоплазмата NADH редуцира оксалоацетата до малат (фиг. 7-39, реакция 1), който с участието на транспортер преминава в митохондриите, където се окислява до оксалоацетат от NAD-зависима малат дехидрогеназа (реакция 2) . NAD, намален по време на тази реакция, отдава водород на митохондриалния CPE. Въпреки това, оксалоацетатът, образуван от малат, не може сам да напусне митохондриите в цитозола, тъй като митохондриалната мембрана е непропусклива за него. Следователно оксалоацетатът се превръща в аспартат, който се транспортира до цитозола, където отново се превръща в оксалоацетат. Трансформациите на оксалоацетат в аспартат и обратно са свързани с добавянето и елиминирането на аминогрупа (реакции на трансаминиране, вижте раздел 9). Тази совалкова система се нарича малат-аспартатна система (Фигура 7-39). Резултатът от неговата работа е регенерирането на цитоплазмения NAD + от NADH.
И двете совалкови системи се различават значително по количеството на синтезирания АТФ. В първата система съотношението P/O е 2, тъй като водородът се въвежда в CPE на ниво KoQ. Втората система е енергийно по-ефективна, тъй като пренася водород към CPE чрез митохондриален NAD + и съотношението P/O е близо до 3.
4. ATP баланс по време на аеробна гликолиза и разграждане на глюкозата до CO2 и H2O
Освобождаване на АТФ по време на аеробна гликолиза
Образуването на фруктозо-1,6-бисфосфат от една молекула глюкоза изисква 2 молекули АТФ (реакции 1 и 3 на фиг. 7-33). Реакциите, свързани със синтеза на АТФ, възникват след разпадането на глюкозата на 2 молекули фосфотриоза, т.е. във втория етап на гликолизата. На този етап протичат 2 реакции на субстратно фосфорилиране и се синтезират 2 АТФ молекули (реакции 7 и 10). В допълнение, една молекула глицералдехид-3-фосфат се дехидрогенира (реакция 6) и NADH пренася водород към митохондриалния CPE, където 3 молекули ATP се синтезират чрез окислително фосфорилиране. В този случай количеството АТФ (3 или 2) зависи от вида на совалковата система. Следователно, окисляването на една молекула глицералдехид-3-фосфат до пируват е свързано със синтеза на 5 молекули АТФ. Като се има предвид, че 2 молекули фосфотриоза се образуват от глюкоза, получената стойност трябва да се умножи по 2 и след това да се извадят 2 молекули АТФ, изразходвани в първия етап. По този начин добивът на АТФ по време на аеробна гликолиза е (5H2) - 2 = 8 АТФ.
Добив на АТФ по време на аеробно разграждане на глюкозата до крайни продукти
В резултат на гликолизата се образува пируват, който допълнително се окислява до CO 2 и H 2 O в OPC, описан в раздел 6. Сега можем да оценим енергийната ефективност на гликолизата и OPC, които заедно представляват процеса на аеробно разграждане на глюкоза до крайни продукти (Таблица 7-4) .
Така добивът на АТФ от окисляването на 1 mol глюкоза до CO 2 и H 2 O е 38 mol АТФ.
По време на аеробното разграждане на глюкозата възникват 6 реакции на дехидрогениране. Един от тях възниква при гликолиза, а 5 при OPC (вижте раздел 6). Субстрати за специфични NAD-зависими дехидрогенази: глицералдехид-3-фосфат, мастна киселина, изоцитрат, b-кетоглутарат, малат. Една реакция на дехидрогениране в цитратния цикъл чрез сукцинат дехидрогеназа протича с участието на коензима FAD. Общото количество АТФ, синтезирано чрез окислително фосфорилиране, е 17 mol АТФ на 1 mol глицералдехид фосфат. Към това трябва да се добавят 3 мола АТФ, синтезиран чрез субстратно фосфорилиране (две реакции в гликолизата и една в цитратния цикъл).
Ориз. 7-38. Глицерофосфатна совалкова система. 1 - глицералдехид-3-фосфат дехидрогеназа; 2 - глицерол-3-фосфат дехидрогеназа (цитозолен ензим, кръстен на обратната реакция); 3 - глицерол-3-фосфат дехидрогеназа (митохондриален флавинов ензим).
Таблица 7-4. Етапи на аеробно разграждане на глюкозата
Като се има предвид, че глюкозата се разпада на 2 фосфотриози и че стехиометричният коефициент на по-нататъшни трансформации е 2, получената стойност трябва да се умножи по 2 и 2 мола АТФ, използвани в първия етап на гликолизата, трябва да се извадят от резултата.
На първия етап глюкозата се разделя на 2 триози:
Така на първия етап от гликолизата 2 молекули АТФ се изразходват за активиране на глюкоза и се образуват 2 молекули 3-фосфоглицералдехид.
Във втория етап 2 молекули 3-фосфоглицералдехид се окисляват до две молекули млечна киселина.
Значението на реакцията на лактат дехидрогеназа (LDH) е да окисли NADH 2 до NAD при условия без кислород и да позволи настъпването на реакцията на дехидрогеназа на 3-фосфоглицералдехид.
Обобщено уравнение на гликолизата:
глюкоза + 2ADP + 2H 3 PO 4 → 2 лактат + 2ATP + 2H 2 O
Гликолизата протича в цитозола. Регулирането му се осъществява от ключови ензими - фосфофруктокиназа, пируват киназа. Тези ензими се активират от ADP и NAD и се инхибират от ATP и NADH 2 .
Енергийната ефективност на анаеробната гликолиза се свежда до разликата между броя на консумираните ATP молекули и броя на произведените ATP молекули. 2 ATP молекули се изразходват на глюкозна молекула в хексокиназната реакция и фосфофруктокиназната реакция. 2 молекули АТФ се образуват на молекула триоза (1/2 глюкоза) в реакцията на глицерокиназа и реакция на пируват киназа. За една молекула глюкоза (2 триози) се образуват съответно 4 молекули АТФ. Общ баланс: 4 ATP – 2 ATP = 2 ATP. 2 ATP молекули натрупват ≈ 20 kcal, което е около 3% от енергията на пълното окисление на глюкозата (686 kcal).
Въпреки относително ниската енергийна ефективност на анаеробната гликолиза, тя има важно значение биологично значение, състоящ се в това, че е единственияметод за генериране на енергия в условия без кислород. При условия на кислороден дефицит осигурява интензивна мускулна работа в началния период на физическа активност.
В феталната тъканАнаеробната гликолиза е много активна при условия на кислороден дефицит. Той остава активен по време на новородени, като постепенно отстъпва място на аеробно окисляване.
По-нататъшно превръщане на млечна киселина
- При интензивно снабдяване с кислород при аеробни условия, млечната киселина се превръща в PVA и чрез ацетил КоА се включва в цикъла на Кребс, осигурявайки енергия.
- Млечната киселина се транспортира от мускулите до черния дроб, където се използва за синтеза на глюкоза – цикълът на R. Cori.
Цикъл на морбили
- При високи концентрации на млечна киселина в тъканите, тя може да се освободи през бъбреците и потните жлези, за да предотврати ацидозата.
Аеробно окисление на глюкозата
Аеробното окисление на глюкозата включва 3 етапа:
Етап 1 се среща в цитозола и включва образуването на пирогроздена киселина:
Глюкоза → 2 PVK + 2 ATP + 2 NADH 2;
Етап 2 се среща в митохондриите:
2 PVC → 2 ацетил - CoA + 2 NADH 2;
Етап 3 се случва вътре в митохондриите:
2 ацетил-КоА → 2 ТСА цикъл.
Поради факта, че на първия етап в цитозола се образуват 2 молекули NADH 2 и те могат да бъдат окислени само в дихателната верига на митохондриите, е необходим пренос на водород от NADH 2 на цитозола към интрамитохондриалната електрон-транспортна верига. Митохондриите са непроницаеми за NADH 2 , така че съществуват специални совалкови механизми за пренос на водород от цитозола към митохондриите. Тяхната същност е отразена в диаграмата, където X е окислената форма на водородния носител, а XH 2 е неговата редуцирана форма:
В зависимост от това кои вещества участват в преноса на водород през митохондриалната мембрана, се разграничават няколко механизма на совалката.
Глицерофосфатен совалков механизъмпри което настъпва загуба на две молекули АТФ, тъй като вместо две молекули NADH 2 (потенциално 6 молекули ATP), се образуват 2 молекули FADH 2 (всъщност 4 молекули ATP).
Малат совалков механизъмработи за отстраняване на водород от митохондриалната матрица:
Енергийна ефективност на аеробното окисление.
- глюкоза → 2 PVK + 2 ATP + 2 NADH 2 (→8 ATP).
- 2 PVK → 2 ацетил CoA + 2 NADH 2 (→ 6 ATP).
- 2 ацетил CoA → 2 TCA цикъл (12*2 = 24 ATP).
Общо могат да се образуват 38 ATP молекули, от които е необходимо да се извадят 2 ATP молекули, загубени в глицерофосфатния совалков механизъм. Така се образува 36 ATP.
36 ATP (около 360 kcal) е от 686 kcal. 50-60% е енергийната ефективност на аеробното окисление на глюкозата, което е двадесет пъти по-високо от ефективността на анаеробното окисление на глюкозата. Следователно, когато кислородът навлезе в тъканите, анаеробният път се блокира и това явление се нарича Ефект на Пастьор. При новородениаеробният път започва да се активира през първите 2-3 месеца от живота.
6.5. 2. Биосинтеза на глюкоза (глюконеогенеза)
Глюконеогенезата е път за синтез на глюкоза в организма от невъглехидратни вещества, който е способен да поддържа нивата на глюкозата за дълго време при липса на въглехидрати в храната. Изходните материали за него са млечна киселина, PVC, аминокиселини, глицерин. Глюконеогенезата протича най-активно в черния дроб и бъбреците. Този процес е вътреклетъчно локализиран отчасти в цитозола, отчасти в митохондриите. Като цяло глюконеогенезата е обратен процес на гликолизата.
Гликолизата има три необратими етапа, катализирани от ензими:
· пируват киназа;
· фосфофруктокиназа;
· хексокиназа.
Следователно в глюконеогенезаВместо тези ензими има специфични ензими, които заобикалят тези необратими етапи:
- пируват карбоксилаза и карбоксикиназа ("байпас" пируват киназа);
- фруктозо-6-фосфатаза ("заобикаля" фосфофруктокиназата);
- глюкозо-6-фосфатаза ("заобикаля" хексокиназата).
Глюкозо-6-фосфатът под действието на глюкозо-6-фосфатазата се превръща в глюкоза, която излиза от хепатоцитите в кръвта.
Ключовите ензими за глюконеогенезата са пируват карбоксилазаИ фруктоза 1,6-бифосфатаза. Активаторът за тях е АТФ (за синтеза на една глюкозна молекула са необходими 6 АТФ молекули).
По този начин високата концентрация на АТФ в клетките активира глюконеогенезата, която изисква енергия, и в същото време инхибира гликолизата (на етапа на фосфофруктокиназа), което води до образуването на АТФ. Тази ситуация е илюстрирана от графиката по-долу.
витамин H
Витамин Н (биотин, антисебореен витамин) участва в глюконеогенезата, която химическа природае хетероцикъл, съдържащ сяра с остатъци от валерианова киселина. Той е широко разпространен в животински и растителни продукти (черен дроб, жълтък). Дневната нужда от него е 0,2 мг. Недостигът на витамин се проявява като дерматит, увреждане на ноктите, увеличаване или намаляване на образуването на себум (себорея). Биологична ролявитамин H:
- участва в реакции на карбоксилиране;
- участва в реакции на транскарбоксилиране;
- участва в обмяната на пуринови бази и някои аминокиселини.
Глюконеогенезата е активна през последните месеци вътрематочноразвитие. След раждането на дете активността на процеса се увеличава, като се започне от третия месец от живота.
Разграждането на въглехидратите при аеробни условия може да се извърши по директен (апотомен или пентозен) начин или по индиректен (дихотомичен) начин.
Дихотомното (гръцки dicha - на две части, том-раздел) окисление на въглехидратите протича по уравнението:
C6H12O6+6O2 = 6 CO2+b H2O+686 kcal
Този път е основният в образуването на енергия. Първите етапи на този път съвпадат с анаеробното окисление на глюкозата. Разминаването на пътищата започва на етапа на образуване на пирогроздена киселина, която в животинските тъкани се декарбоксилира по окислителния път. Гликолизата е последователност от ензимни реакции, водещи до превръщането на глюкозата в пируват с едновременното образуване на АТФ. При аеробни условия пируватът прониква в митохондриите, където се окислява напълно до CO2 и H2O. Ако съдържанието на кислород е недостатъчно, какъвто може да е случаят в активно съкращаващ се мускул, пируватът се превръща в лактат. Анаеробната гликолиза е сложен ензимен процес на разграждане на глюкозата, който протича в човешки и животински тъкани без консумация на кислород. Крайният продукт на гликолизата е млечна киселина. По време на гликолизата се произвежда АТФ. Общото уравнение на гликолизата може да бъде представено по следния начин:
При анаеробни условия гликолизата е единственият процес в животинското тяло, който доставя енергия. Благодарение на гликолизата човешкият и животинският организъм могат да изпълняват редица физиологични функции за определен период от време в условия на недостиг на кислород. В случаите, когато гликолизата протича в присъствието на кислород, говорим за аеробна гликолиза. Първата ензимна реакция на гликолизата е фосфорилирането, т.е. прехвърляне на ортофосфатен остатък към глюкоза от АТФ. Реакцията се катализира от ензима хексокиназа:
Втората реакция на гликолизата е превръщането на глюкозо-6-фосфат под действието на ензима глюкозо-6-фосфат изомераза във фруктозо-6-фосфат:
Третата реакция се катализира от ензима фосфофруктокиназа; полученият фруктозо-6-фосфат се фосфорилира отново поради втората ATP молекула:
Четвъртата реакция на гликолизата се катализира от ензима алдолаза. Под въздействието на този ензим фруктозо-1,6-бисфосфатът се разделя на две фосфотриози:
Петата реакция е реакцията на изомеризация на триозофосфати. Катализира се от ензима триозофосфат изомераза:
Образуването на глицералдехид-3-фосфат завършва първия етап на гликолизата. Вторият етап е най-трудният и важен. Тя включва редокс реакция (реакция на гликолитична оксидоредукция), съчетана със субстратно фосфорилиране, по време на което се образува АТФ. В резултат на шестата реакция глицералдехид-3-фосфатът, в присъствието на ензима глицералдехид фосфат дехидрогеназа, коензима NAD и неорганичния фосфат, претърпява своеобразно окисление до образуване на 1,3-бисфосфоглицеринова киселина и редуцирана форма на NAD ( NADH). Тази реакция се блокира от йод или бромоацетат и протича на няколко етапа:
Седмата реакция се катализира от фосфоглицерат киназа, която прехвърля богат на енергия фосфатен остатък (фосфатна група в позиция 1) към ADP, за да образува АТФ и 3-фосфоглицеринова киселина (3-фосфоглицерат):
Осмата реакция е придружена от вътремолекулен трансфер на останалата фосфатна група и 3-фосфоглицериновата киселина се превръща в 2-фосфоглицеринова киселина (2-фосфоглицерат).
Деветата реакция се катализира от ензима енолаза, при който 2-фосфоглицериновата киселина, в резултат на елиминирането на водна молекула, се превръща във фосфоенолпирувинова киселина (фосфоенолпируват), а фосфатната връзка в позиция 2 става високоенергична:
Десетата реакция се характеризира с разцепване на високоенергийна връзка и прехвърляне на фосфатен остатък от фосфоенолпируват към ADP (субстратно фосфорилиране). Катализира се от ензима пируват киназа:
В резултат на единадесетата реакция пирогроздената киселина се редуцира и се образува млечна киселина. Реакцията протича с участието на ензима лактат дехидрогеназа и коензима NADH, образувани в шестата реакция:
Биологичното значение на процеса на гликолиза се състои преди всичко в образуването на богати на енергия фосфорни съединения. В първите етапи на гликолизата се изразходват 2 молекули АТФ (реакции хексокиназа и фосфофруктокиназа). В следващите реакции се образуват 4 молекули АТФ (фосфоглицерат киназа и пируват киназа реакции). По този начин енергийната ефективност на гликолизата при анаеробни условия е 2 ATP молекули на глюкозна молекула.
-
Аеробика окисляване въглехидрати. Разпад въглехидрати V аеробикапри условия той може да следва директен (апотомен или пентотичен) път и индиректен (дихотомичен) път. -
Аеробика окисляване въглехидрати. Разпад въглехидрати V аеробикаусловията могат да следват директен (апотомен или пентозен) път и. -
Гликолизата е най-простата форма на биол. механизъм за съхранение на енергия въглехидратив ATP.
С енергийно по-благоприятна аеробика окисляванеот една молекула глюкоза... -
Окислителнофосфорилирането би било по-точно да се нарече фосфорилиране в дихателната верига.
Аеробика окисляване въглехидрати. -
- PHA може да влезе в реакции на гликонеогенеза с образуването въглехидрати- глюкоза или гликоген.
Активирането на FA става в цитоплазмата, а b- окисляване- в митохондриите. -
Докато диша въглехидрати, мазнините и протеините преминават многоетапно окисляване, което води до възстановяване на основните доставчици на възобновяеми енергийни източници за дихателни флавинов... -
Гликоногенеза - образование въглехидрати(глюкоза или гликоген) от невъглехидратни вещества.
Окислителноетап: 2 реакции окисляванехексозофосфат без участието на кислород. -
Основен въглехидратмляко - лактоза - присъства в млякото на всички видове бозайници.
Окисляванепируват до ацетил-КоА става с участието на редица ензими и коензими... -
При изгаряне 1гр въглехидратиОбразуват се 4 kcal. Това е по-малко от мазнини (9 kcal).
Ж. Въглехидратикато източник на енергия имат способността окислявамв тялото като аеробика, така... -
В основата модерни идеиотносно разграждането на мастните киселини в тъканите лежи теорията - окисляване
Път на разграждане на GBF въглехидратиосигурява синтез с енергия.
Намерени подобни страници:10
Аеробното окисляване на въглехидратите е основният начин за производство на енергия за тялото. Косвени - дихотомни и преки - апотомични.
Директният път на разграждане на глюкозата е пентозен цикъл- води до образуване на пентози и натрупване на NADPH 2. Пентозният цикъл се характеризира с последователно елиминиране на всеки от неговите 6 въглеродни атома от глюкозните молекули с образуването на 1 молекула въглероден диоксид и вода по време на един цикъл. Разграждането на цялата глюкозна молекула става в продължение на 6 повтарящи се цикъла.
Значението на пентозофосфатния цикъл на окисление на въглехидратите в метаболизма е голямо:
1. Доставя редуциран NADP, необходим за биосинтеза на мастни киселини, холестерол и др. Благодарение на пентозния цикъл се покриват 50% от нуждите на организма от NADPH 2.
2. Доставка на пентозофосфати за синтез нуклеинова киселинаи много коензими.
Реакциите на пентозния цикъл протичат в цитоплазмата на клетката.
При редица патологични състояния делът на пентозния път на окисляване на глюкозата се увеличава.
Индиректен път- разграждане на глюкозата до въглероден диоксид и вода с образуването на 36 молекули АТФ.
1. Разграждане на глюкоза или гликоген до пирогроздена киселина
2. Превръщане на пирогроздена киселина в ацетил-КоА
Окисляване на ацетил-КоА в цикъла на Кребс до въглероден диоксид и вода
C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 6 CO 2 + 6 H 2 O + 686 kcal
В случай на аеробно превръщане, пирогроздената киселина претърпява окислително декарбоксилиране, за да образува ацетил-КоА, който след това се окислява до въглероден диоксид и вода.
Окисляването на пирувата до ацетил-КоА се катализира от системата на пируват дехидрогеназата и протича на няколко етапа. Обща реакция:
Реакцията на пируват + NADH + NS-CoA ацетил-CoA + NADH 2 + CO 2 е почти необратима
Пълното окисление на ацетил-КоА се извършва в цикъла на трикарбоксилната киселина или цикъла на Кребс. Този процес протича в митохондриите.
Цикълът се състои от 8 последователни реакции:
В този цикъл молекула, съдържаща 2 въглеродни атома (оцетна киселина под формата на ацетил-КоА), реагира с молекула на оксалооцетна киселина, което води до образуването на съединение с 6 въглеродни атома - лимонена киселина. По време на процеса на дехидрогениране, декарбоксилиране и подготвителна реакция лимонената киселина се превръща обратно в оксалооцетна киселина, която лесно се свързва с друга молекула ацетил-КоА.
1) ацетил-КоА + оксалоацетат (ОА) лимонена киселина
цитрат синтаза
2) лимонена киселина изолимонена киселина
аконитатна хидратаза
3) изолимонена киселина + NAD-кетоглутарова киселина + NADH 2 + CO 2
изоцитрат дехидрогеназа
4)-кетоглутарова киселина + NS-CoA + NADsuccinylSCoA + NADH 2 + CO 2
5) сукцинил-CoA+GDP+Fянтарна киселина+GTP+HS-CoA
сукцинил КоА синтетаза
6) янтарна киселина + FADфумарова киселина + FADN 2
сукцинат дехидрогеназа
7) фумарова киселина + H 2 O L ябълчена киселина
фумарат хидратаза
8) малат + NADoxaloacetate + NADH 2
малат дехидрогеназа
Общо, когато една молекула глюкоза се разгражда в тъканите, се синтезират 36 молекули АТФ. Несъмнено това е енергийно по-ефективен процес от гликолизата.
Цикълът на Кребс е общият краен път, по който завършва метаболизмът на въглехидратите, мастните киселини и аминокиселините. Всички тези вещества са включени в цикъла на Кребс на един или друг етап. След това настъпва биологично окисление или тъканно дишане, основна характеристикакоето се състои в това, че протича постепенно, през множество ензимни етапи. Този процес протича в митохондриите, клетъчните органели, в които голям бройензими. В процеса участват пиридин-зависими дехидрогенази, флавин-зависими дехидрогенази, цитохроми, коензим Q - убихинон, протеини, съдържащи нехем желязо.
Скоростта на дишане се контролира от съотношението ATP/ADP. Колкото по-ниско е това съотношение, толкова по-интензивно е дишането, което осигурява производството на АТФ.
Освен това цикълът на лимонената киселина е основният източник на въглероден диоксид в клетката за реакции на карбоксилиране, които започват синтеза на мастни киселини и глюконеогенезата. Същият въглероден диоксид доставя въглерод за урея и някои звена на пуриновите и пиримидиновите пръстени.
Връзката между процесите на въглехидратния и азотния метаболизъм също се постига чрез междинни продукти от цикъла на лимонената киселина.
Има няколко пътя, чрез които междинните продукти от цикъла на лимонената киселина се включват в процеса на липогенеза. Разграждането на цитрата води до образуването на ацетил-КоА, който играе ролята на прекурсор в биосинтезата на мастни киселини.
Изоцитратът и малатът осигуряват образуването на NADP, който се изразходва в следващите редукционни етапи на синтеза на мазнини.
Роля ключов факторСъстоянието на адениновите нуклеотиди играе роля при определяне на превръщането на NADH. Високият ADP и ниският ATP показват ниски енергийни резерви. В този случай NADH участва в реакциите на дихателната верига, засилвайки процесите на окислително фосфорилиране, свързани със съхранението на енергия. Обратното явление се наблюдава при ниско съдържание на АДФ и високо съдържание на АТФ. Чрез ограничаване на електронната транспортна система те насърчават използването на NADH в други редуциращи реакции като синтез на глутамат и глюконеогенеза.
Дъх.Аеробното окисление на въглехидратите протича в присъствието на атмосферен кислород, поради което често се нарича дишане.
За разлика от гликолизата (гликогенолиза), където провиновата киселина служи като краен акцептор на водородни атоми и електрони, по време на дишането ролята на такъв акцептор играе кислородът. В първия случай се образува млечна киселина като краен продукт, при което общото окислително състояние на въглерода остава същото като това на глюкозата; във втория случай се образува въглероден диоксид - много по-просто съединение, в което единственият въглероден атом е напълно окислен. В същото време дишането и гликолизата имат много общи връзки.
Дишането, подобно на гликолизата, се придружава от образуването на фосфорни естери на глюкоза и фруктоза, фосфотриоза-дихидроксиацетон фосфат и глицералдехид-3-фосфат, както и междинни продукти като 1,3-дифосфоглицеринова киселина, 3-фосфоглицерат, фосфоенолпируват пирогроздена киселина . Много реакции на гликолиза и дишане се катализират от едни и същи ензими. С други думи, по време на дишането превръщането на глюкозата в млечна киселина преминава през всички същите етапи, както по време на гликолизата. В този случай обаче водородните атоми, отделени от глицералдехид-3-фосфат, не редуцират пирогроздена киселина, а се прехвърлят към кислород, преминавайки през сложна система от ензими на дихателната верига.
Млечната киселина, образувана по време на процеса на гликолиза, както вече беше споменато, все още съдържа доста значителен резерв (приблизително 93%) потенциална енергия. Но въпреки това първите живи организми, които извличат енергия при анаеробни условия, я освобождават заобикаляща среда.
С появата на кислород в земната атмосфера живите организми развиха нови, по-напреднали механизми на окисление, в резултат на което количеството освободена енергия беше много по-голямо, отколкото по време на гликолизата, тъй като крайният продукт на дишането е CO 2, въглероден атом от които е напълно окислен. Наред с това природата е създала нови механизми за допълнително окисляване на крайния продукт на гликолизата, който се отделя в околната среда. С други думи, изглежда, че създава надстройка над гликолизата за окисляването на крайния си продукт при аеробни условия, запазвайки много от етапите си същите.
Млечната киселина не се произвежда при дишане. Следователно пирогроздената киселина е общият субстрат или централната връзка, където завършва гликолизата и започва дишането (или пътищата на гликолизата и дишането - анаеробно и аеробно окисление на глюкозата - се разминават).
След като запазиха предишните етапи на гликолиза, клетките на човешкото тяло и висшите животни запазиха способността да окисляват глюкозата при анаеробни условия, в резултат на което при липса на кислород те могат да получат енергия по този начин . В този случай обаче млечната киселина, образувана при анаеробни условия, която има доста голям запас от енергия, не се освобождава в околната среда, а се натрупва в мускулите. От мускулите се доставя чрез кръвния поток в черния дроб, където отново се превръща в глюкоза. Когато в клетката навлезе достатъчно количество кислород, част от млечната киселина се окислява допълнително до CO2 и H2O.
Превръщане на млечна киселина. Млечната киселина, образувана по време на анаеробното окисление на глюкозата, се окислява до CO 2 и H 2 O, както следва. Първо, под действието на ензим лактат дехидрогеназа,коензимът на който е NAD, той се окислява до пирогроздена киселина:
който след това се влияе пируват декарбоксилаза,който е сложен мултиензимен комплекс, претърпява окислително декарбоксилиране, за да образува активната форма на оцетна киселина - ацетил-КоА:
където ТРР е тиамин пирофосфат; LA - липоева киселина; HSKoA - коензим А.
В случай, че тъканите са добре снабдени с кислород, пирогроздената киселина незабавно се подлага на окислително декарбоксилиране, без да се редуцира до млечна киселина. Редуцираният коензим NAD H + H +, образуван по време на окисляването на глицералдехид-3-фосфат, пренася водорода чрез аеробни метаболитни ензими (т.е. дихателната верига) до кислород, образувайки вода.
Превръщането на пирогроздена киселина в ацетил-КоА е подготвителен или преходен етап, поради което въглехидратите чрез пирогроздена киселина и след това чрез ацетил-КоА се включват в нов етап - кислородно окисление. С други думи, този процес е връзката между гликолизата и самото дишане. Но в резултат на окислителното декарбоксилиране на пирогроздена киселина до ацетил-КоА се освобождава около 9% от общата енергия на окисление на глюкозата, т.е. повече, отколкото по време на гликолизата като цяло, където се освобождава само 5-7% от енергията. Ако вземем предвид 5-7 % енергията на гликолизата и 9% от енергията на окислителното декарбоксилиране на пирогроздената киселина, тогава се освобождава общо 14-16% от енергията, натрупана във въглехидратите. Следователно останалите 84-86 % енергията все още се съхранява в молекулата на оцетната киселина.
Цикълът на трикарбоксилната киселина (цикъл на Кребс) е нов, по-усъвършенстван механизъм за окисление на въглехидратите, развит в живите организми с появата на кислород на Земята. Използвайки този механизъм, оцетната киселина се превръща допълнително под формата на ацетил-КоА в CO 2 и H 2 O при аеробни условия с освобождаване на енергия.
Поради факта, че първите субстрати при окисляването на оцетната киселина са трикарбоксилните киселини и хипотезата за механизма на това окисление е изложена от Х. А. Кребс, процесът е наречен цикъл на трикарбоксилната киселина или цикъл на Кребс.
Първата реакция от цикъла е реакцията на кондензация на ацетил-КоА с оксалооцетна киселина, която се катализира от ензима цитрат синтаза.В резултат на това се образува активната форма на лимонената киселина - цитрил-КоА:
Когато се хидролизира, цитрил-КоА се превръща в лимонена киселина:
Последният е под действието на ензим аконитатна хидратазасе превръща в цис-аконитова киселина, която при добавяне на вода се превръща в изолимонена киселина:
Изолимонената киселина се окислява допълнително чрез елиминирането на два водородни атома, превръщайки се в оксалосукцинова киселина. Тази реакция започва елиминирането на CO 2 и първото окисление на ацетил-КоА в трикарбоксилния цикъл. Оксаловата янтарна киселина, декарбоксилирана, се превръща в α-кетоглутарова киселина. Дехидрогенирането на изолимонната и декарбоксилирането на оксалово-янтарната киселина се катализира от ензима изоцитрат дехидрогеназас участието на коензима NAD +:
Следващият етап от цикъла на трикарбоксилната киселина е реакцията на окислително декарбоксилиране на α-кетоглутаровата киселина, която води до образуването на янтарна киселина. Този процес протича на два етапа. Първо, α-кетоглутаровата киселина претърпява окислително декарбоксилиране, за да образува активната форма на янтарната киселина - сукцинил-CoA - и CO2. Тази реакция наподобява реакцията на превръщане на пирогроздена киселина в ацетил-КоА и също се катализира от сложен мултиензимен комплекс - α -кетоглутарат дехидрогеназа.В резултат на тази реакция възниква второ елиминиране на въглероден диоксид и дехидрогениране на оцетна киселина, влизаща в цикъла:
Получената активна форма на янтарна киселина, сукцинил-КоА, за разлика от ацетил-КоА, е високоенергийно тиоетерно съединение, в което се натрупва енергията на окисление на α-кетоглутаровата киселина.
В следващата стъпка тази енергия се използва за образуване на GTP (гуанозин трифосфорна киселина) от GDP и неорганична фосфорна киселина и се съхранява във фосфатните връзки на това съединение. Реакцията се катализира от ензим сукцинилтиокиназа:
GTP, образуван в резултат на тази реакция, взаимодейства с ADP, което води до образуването на ATP:
GTP + ADP БВП + ATP.
Синтезът на АТФ, съчетан с окисление на субстрата, е друг пример за фосфорилиране на субстрата.
В по-нататъшния ход на цикъла на трикарбоксилната киселина възникват още две дехидрогенации. Янтарна киселина под влияние сукцинат дехидрогеназас участието на коензима FAD + отделя два водородни атома и се превръща в фумарова киселина, а FAD + се редуцира до FAD H 2. След това фумаровата киселина, добавяйки водна молекула, образува ябълчена киселина (малат), която с помощта на малат дехидрогеназаи коензимът NAD + отново претърпява дехидрогениране. В този случай се образува оксало-оцетна киселина, т.е. субстратът, от който започва цикълът на трикарбоксилната киселина:
Регенерираната оксалооцетна киселина може да реагира отново с нова ацетил-КоА молекула и процесът ще започне в същия ред.
Обща схемаЦикълът на трикарбоксилната киселина може да бъде представен по следния начин:
Цикъл на трикарбоксилната киселина
(крайните продукти на окислението на ацетил-КоА са показани в полето).
От горната диаграма следва, че основната функция на цикъла на Кребс е дехидрогенирането на оцетната киселина. Ако балансираме ензимното дехидрогениране на един цикъл, можем лесно да изчислим, че реакциите произвеждат осем водородни атома: шест атома се използват за намаляване на NAD + и два атома се използват за намаляване на FAD + сукцинат хидрогеназа.
Цялостната реакция на този цикъл се описва със следното уравнение:
CH3COOH + 2H2O → 2CO 2 + 8H,
от което следва, че четири водородни атома принадлежат на водата. Следователно останалите четири се образуват чрез дехидрогениране на оцетна киселина, т.е. това е целият водород, който е бил част от неговата молекула. В същото време два въглеродни атома се освобождават два пъти под формата на въглероден оксид (IV) (веднъж по време на декарбоксилирането на оксалова янтарна киселина, вторият по време на декарбоксилирането на α-кетоглутарова киселина), т.е. точно толкова от тях са влезли в цикъла под формата на ацетална група.
От горното уравнение също следва, че нито кислородът, нито АТФ, нито неорганичната фосфорна киселина участват в цикъла. Всички тези метаболити взаимодействат в дихателната верига, която включва неорганична фосфорна киселина, водородни атоми и кислород, отстранени по време на дехидрогенирането, и АТФ се образува в резултат на окислително фосфорилиране. Енергията за този процес се освобождава в резултат на редокс реакции, когато водородните атоми и електрони се прехвърлят от редуцираните форми NAD H 2 и FAD H 2 към кислорода.
Процесът на окислително фосфорилиране е описан подробно в гл. 22. Нека само да си припомним, че за всяка двойка електрони (двойка водородни атоми) в дихателната верига, три ATP молекули се образуват чрез окислително фосфорилиране (едната при прехвърляне на водородни атоми от NAD H + H + към FAD, втората, когато прехвърляне на двойка електрони от цитохром bкъм цитохрома са третият - от цитохром а 3към кислородния атом). Така всеки окислителен етап от превръщането на глюкозата в CO 2 и H 2 O, свързан с NAD, е придружен от образуването на три ATP молекули, свързани с FAD - образуването на две ATP молекули.
Енергиен баланс на окислението на въглехидратите.Първо, нека обобщим енергийния баланс, дължащ се на дехидрогенирането на оцетната киселина в цикъла на Кребс. Както вече установихме, в този цикъл се извършват четири дехидрогенации, в резултат на които се образуват три редуцирани форми на NAD и една FAD, а чрез субстратно фосфорилиране се синтезира една ATP молекула:
Така цикълът на Кребс синтезира шест пъти повече АТФ, отколкото гликолизата. Ако вземем предвид още две редуцирани NAD молекули, образувани по време на окисляването на млечна и пирогроздена киселина, тогава това ще възлезе на още 6 ATP молекули и общо 18. Тъй като глюкозата се разпада на две фосфотриози, количеството на ATP се увеличава с 2 пъти и ще възлезе на 36 молекули.
Добавяйки към това 2 ATP молекули, образувани по време на гликолиза, получаваме общия баланс на енергията, натрупана в макроергичните връзки на ATP по време на окисляването на глюкозата до CO 2 и H 2 O: 36 + 2 = 38.
Установено е, че пълното окисляване на 1 мол глюкоза до CO 2 и H 2 O е съпроводено с освобождаване на 2872 kJ. 38 ATP молекули натрупват 1270-1560 kJ, т.е. приблизително 50% от общата енергия, освободена по време на окисляването. Следователно останалите 50 бр % Енергията се разсейва в тялото под формата на топлина, за да се поддържа подходяща температура.
От разгледаните фази на окисление на глюкозата, аеробната фаза е от изключително значение. Ако по време на анаеробно окисление, т.е. по време на образуването на млечна киселина се отделят само 197 kJ енергия, от които 40 % се натрупва във високоенергийните връзки на две молекули АТФ, след което в аеробната фаза се отделят 2872 - 197 = 2675 kJ, което е около 93% от общата енергия. Така тялото получава по-голямата част от енергията си чрез дишането.
Апотомичен пътокисляване на глюкозата. Наред с цикъла на Кребс в много клетки съществува и друг път за разграждане на глюкозата, т.нар апотомичен,или пентозофосфат.Експериментално е установено, че при аеробни условия в еритроцитите, черния дроб и бъбреците глюкозата може да се окисли до 6-монофосфоглюконова киселина и при този процес не се образува фруктозо-1,6-дифосфат. В резултат на това окисляване на глюкозата се образува значително количество пентози. Този път е открит от съветския биохимик В. А. Енгелхард, а отделните му етапи са изследвани от О. Варбург, Ф. Дикенс, И. Д. Головацки и др.. Пентозофосфатният път не е основният път на окисление на глюкозата. Основната му цел е да доставя на клетките редуцирани форми на NADP, необходими за биосинтезата на мастни киселини, холестерол, пуринови и пиримидинови бази, стероиди и др. Втората функция на този път е, че той доставя пентози, главно D-рибоза, за синтез на нуклеинови киселини.
Пътят на пентозофосфата за разграждане на глюкозата може да бъде обобщен със следното уравнение:
Глюкозо-6-монофосфат + 2 NADP + → Рибоза-5-монофосфат + CO 2 + 2 NADP·H + H + + 2H + .
Пентозите, които не се използват за биосинтеза на нуклеинови киселини и нуклеотиди, се изразходват за биосинтеза на други съединения и регенерация на глюкоза.
Биосинтеза на въглехидрати
Има два основни метода за биосинтеза на въглехидрати от относително прости метаболити. Един от тях е да редуцира въглеродния диоксид до глюкоза. Този процес, характерен за зелените растения и т.нар фотосинтеза,се осъществява благодарение на енергията на слънчевата светлина с помощта на хлорофил съгласно следното уравнение:
CO 2 + 2H 2 O 1/6C 6 H 12 O 6 + O 2 + H 2 O.
Като улавят слънчевите лъчи и превръщат енергията им във въглехидратна енергия, зелените растения осигуряват запазването и развитието на живота на Земята. Това е, според К. А. Тимирязев, космическа ролязелените растения като посредник между слънцето и целия живот на Земята.
Наскоро работата на група учени от Института по биохимия. А. В. Паладин от Академията на науките на Украинската ССР, под ръководството на академик М. Ф. Гули, показа, че тъканите на висшите животни също са способни да фиксират въглеродния диоксид, въпреки че механизмът на неговото фиксиране се различава от този на фотосинтетичните клетки. Състои се в изграждането на въглеродния скелет с въглероден оксид (IV) на субстрати като кето киселини, мастни киселини, аминокиселини и др.
В черния дроб, бъбреците и скелетните мускули на човека и висшите животни има друг път за биосинтеза на въглехидрати, т.нар. глюконеогенеза.Това е синтезът на глюкоза от пирогроздена или млечна киселина, както и от така наречените гликогенни аминокиселини, мазнини и други прекурсори, които по време на метаболизма могат да се превърнат в пирогроздена киселина или метаболити от цикъла на трикарбоксилната киселина.
Глюконеогенезата е обратният път на гликолизата. Въпреки това, има три стъпки в този път, които не могат да бъдат енергийно използвани при превръщането на пирогроздена киселина в глюкоза. Тези три етапа на гликолизата се заменят с "байпас" реакции, които изискват по-малко енергия.
Първата байпас реакция е превръщането на пирогроздена киселина във фосфоенолпирогроздена киселина. Тъй като разграждането на глюкозата се извършва в митохондриите и синтезът в цитоплазмата, на първия етап митохондриалната пирогроздена киселина първо се превръща в оксалова оцетна киселина. Тази трансформация се катализира от ензим пируват карбоксилаза,активиран от ацетил-КоА с участието на АТФ. След това получената оксалова оцетна киселина се редуцира с участието на NAD H + H + в ябълчена киселина:
Пирогроздена киселина + CO 2 Оксалоцетна киселина 
Ябълкова киселина.
Ябълчената киселина дифундира в цитоплазмата и се окислява от цитоплазмената малат дехидрогеназа, за да образува цитоплазмена оксалооцетна киселина, от която се образува фосфоенолпировинова киселина. Тази реакция се катализира фосфоенолпируват карбоксикиназа. GTP служи като донор на фосфорна киселина:
Ябълкова киселина 
Оксалова оцетна киселина Фосфоенолпировинова киселина.
Това е последвано от цяла поредица от обратни реакции, завършващи с образуването на фруктозо-1,6-бисфосфат. Превръщането на фруктозо-1,6-бисфосфат във фруктозо-6-фосфат е втората необратима реакция на гликолизата. Следователно, той се катализира не от фосфофруктокиназа, а фруктоза дифосфатаза.Този ензим катализира необратимата хидролиза на 1-фосфатната група:
Фруктозо-1,6-дифосфат + H 2 O → Фруктозо-6-фосфат + H 3 PO 4.
На следващия (обратим) етап от биосинтезата на глюкозата фруктозо-6-фосфатът се превръща в глюкозо-6-фосфат под въздействието на фосфоглюко-изомеразагликолиза.
Разграждането на глюкозо-6-фосфат до глюкоза е трета необратима реакция, която не се осъществява чрез обръщане от хексокиназа. Свободната глюкоза се образува от глюкозо-6-фосфатаза,катализиране на реакцията на хидролиза:
Глюкозо-6-фосфат + H 2 O → Глюкоза + H 3 PO 4.
В повечето клетки глюкозо-6-фосфатът, образуван по време на гликогенолиза, се използва като прекурсор за биосинтеза на олиго- и полизахариди. Основна роля в биосинтезата на тези сложни захари играе съединението уридин фосфоглюкоза,който действа като междинен преносител на глюкоза.
По време на биосинтезата на гликоген, например, глюкозо-6-фосфат, превърнат в глюкозо-1-фосфат под действието на фосфоглюкомутаза, взаимодейства с уридин трифосфорна киселина (UTP), съединение, подобно на АТФ, което вместо това съдържа азотната основа урацил на аденин. В резултат на това взаимодействие с помощта глюкозо-1-фосфат уридилтрансферазасе образува уридил дифосфоглюкоза:
Глюкозо-1-фосфат + UTP UDP-глюкоза + Fn.
На последния етап от биосинтезата на гликоген в реакция, катализирана гликоген синтетаза,глюкозният остатък от UDP-глюкозата се прехвърля към крайния глюкозен остатък на амилазната верига, за да образува 1,4-гликозидна връзка (виж Глава 16). Разклоняването на гликогена чрез образуване на 1,6-връзки е завършено амило-1,4-1,6-трансглюкозидаза.
Биосинтезата на гликоген се извършва не само от глюкозо-6-фосфат, образуван чрез глюконеогенеза. Както беше отбелязано по-горе, част от глюкозата след абсорбцията се използва и за нейната биосинтеза. Синтезът на гликоген, като процес на образуване на мобилен резерв от въглехидрати в организма, има голямо биологично значение. Водещата роля в това принадлежи на черния дроб. Благодарение на синтеза и отлагането на гликоген в черния дроб се поддържа постоянна концентрация на глюкоза в кръвта и другите тъкани и се предотвратява загубата й с урината при прием на храна, особено въглехидрати. В допълнение, отлагането на гликоген в черния дроб насърчава постепенното използване на въглехидрати в зависимост от условията на живот на тялото.
Използването на глюкоза за синтеза на гликоген се предшества от образуването на глюкозо-фосфорни естери. Първо се образува глюкозо-6-монофосфат. Източник на енергия и донор на фосфат е АТФ. Хексокиназата катализира тази реакция. Под действието на ензима фосфоглюкомутаза глюкозо-6-монофосфатът се превръща в глюкозо-1-монофосфат:
По-нататъшното превръщане на глюкозо-1-монофосфат в гликоген става по начин, който вече ни е познат.
Глава 24. ЛИПИДЕН МЕТАБОЛИЗЪМ
Липидите са голяма група органични съединения. Всички те се различават по свой начин химичен състави структура, но имат едно общо свойство – неразтворимост във вода. Поради факта, че ензимите, действащи върху тези органични съединения, водоразтворими, разграждането и усвояването на липидите в храносмилателния канал се характеризират с определени особености. Наличието на липиди с различна структура определя различни начини за тяхното разграждане и синтез.
Нека се спрем на метаболизма на мазнините, фосфатидите и стеридите, които имат най-важното биологично значение.
Липидният метаболизъм, подобно на въглехидратите, е многоетапен процес, който се състои от смилане, абсорбция, транспорт на липиди в кръвта, вътреклетъчно окисление и биосинтеза.
Смилане на липиди
Разграждане на триглицеридите.Триглицеридите или неутралните мазнини са концентрирани източници на енергия в тялото. При окисляване на 1 g мазнина се отделят около 38,9 kJ енергия. Тъй като са хидрофобни съединения, мазнините се съхраняват в компактна форма, заемайки относително малко място в тялото. Заедно с храната, човешкото тяло получава всеки ден до 70 g мазнини от растителен и животински произход. По своята химическа природа те са предимно триглицериди.
Разграждането на мазнините става с помощта на ензими, наречени липази.Слюнката не съдържа такива ензими, така че мазнините не претърпяват никакви промени в устната кухина. В стомаха активността на липазата е много слаба. Това се дължи на факта, че в стомаха реакционната среда е силно кисела (pH = 1,5-2,5), докато оптималното действие на липазата е при pH = 7,8 = 8,1. В тази връзка само 3-5% от входящите мазнини се усвояват в стомаха.
Смилането на мазнините в стомаха се случва само при новородени и кърмачета. Това се дължи на факта, че pH на средата в стомаха на новородените е 5,6 и при тези условия липазата проявява по-голяма активност. Освен това мазнините в майчиното мляко, което е основният хранителен продукт за децата през този период, са във високоемулгирано състояние, а самото мляко съдържа липолитичен фактор, който участва в смилането на мазнините.
Стомахът обаче все още играе роля в смилането на мазнините при възрастни. Той регулира притока на мазнини в червата и усвоява протеините, като по този начин освобождава мазнините от липопротеиновите комплекси на храната.
Основното място за смилане на мазнини е дванадесетопръстника и части от тънките черва. Тъй като мазнините са неразтворими във вода, а ензимите, които ги разграждат, са водоразтворими съединения, необходимо условие за хидролитичното разграждане на мазнините до техните съставни части е тяхната дисперсия(раздробяване), за да се образува рядка емулсия. Диспергирането и емулгирането на мазнини възниква в резултат на действието на няколко фактора: жлъчни киселини, свободни висши мастни киселини, моно- и диглицериди и протеини. Това се улеснява и от чревната перисталтика и постоянно образувания въглероден диоксид, който се отделя при взаимодействието на киселинните хранителни компоненти, идващи от стомаха, с чревните карбонати, създавайки алкална среда. Полученият въглероден диоксид "бълбука" през хранителната маса, като по този начин участва в разпръскването на мазнините. Неутрализирането на съдържанието на стомаха също се улеснява от навлизането в лумена на тънките черва на жлъчка, която е алкална по природа.)
Жлъчката е вискозна течност със светложълт цвят със специфична миризма и горчив вкус. Жлъчката съдържа жлъчни киселини. жлъчни пигменти, продукти от разпада на хемоглобина, холестерол, лецитин, мазнини, някои ензими, хормони и др. Жлъчката стимулира перисталтиката на тънките черва и има бактериостатично действие върху микрофлората им. Токсините се отделят от тялото с жлъчката. Освен това е активатор на липолитичните ензими и повишава пропускливостта на чревната стена.
У дома интегрална частжлъчката са жлъчни киселини.Те се образуват в черния дроб от холестерола и се намират в жлъчката както в свободно, така и в свързано състояние, както и под формата на натриеви соли. Човешката жлъчка съдържа главно три жлъчни киселини.По-голямата част се състои от холова (3,7,12-трихидроксихоланова) и дезоксихолева (3,12-дихидроксихоланова), малка част е литохолева (3-хидроксихоланова) киселина, която е производна на холановата киселина :
Холовата киселина може да се намери и в жлъчката в свързано състояние под формата на сдвоени съединения с глицин и цистеиновото производно таурин - съответно гликохолова и таурохолева киселина:
Натриева сол на гликохоловата киселина
Натриева сол на таурохоловата киселина
Поради наличието на жлъчни киселини се наблюдава намаление повърхностно напрежениелипидни капчици, което допринася за образуването на много тънка и стабилна емулсия, чийто диаметър на частиците е около 0,5 микрона. Моноглицеридите и висшите мастни киселини също допринасят за образуването на емулсия. Емулгирането на мазнините води до колосално увеличаване на повърхността на контакт между липазата и воден разтвор. По този начин, колкото по-тънка е емулсията на мазнините, толкова по-добре и по-бързо се разграждат от липазата. В допълнение, под формата на рядка емулсия, мазнините могат дори да се абсорбират директно от чревната стена, без да се разграждат на съставните си части.
В присъствието на жлъчни киселини, под действието на липаза, в лумена на тънките черва се извършва хидролитично разграждане на мазнините. В резултат на това се образуват продукти на частично и пълно разграждане на мазнините - моно- и диглицериди, свободни висши мастни киселини и глицерин:
Съдържа и част от неразградените мазнини под формата на много рядка емулсия. Всички тези продукти впоследствие се абсорбират от чревната стена. В тази смес триглицеридите са около 10 % , моно-
идизахариди - също 10 % , а по-голямата част - около 80% - са продукти на пълното разграждане на мазнините - глицерол и висши мастни киселини
Смилане на фосфоглицериди.Основното място за смилане на фосфатидите също е дванадесетопръстника. Емулгирането на тези липиди става под въздействието на същите вещества като триглицеридите. Въпреки това, хидролитичното разцепване на фосфатидите се извършва под действието на фосфолипази A, B, C и D. Всеки ензим действа върху специфична естерна връзка на фосфолипида. Хидролитичното разграждане на, например, лецитин става както следва:
Малка част от фосфатидите претърпява такова пълно разграждане, тъй като неговите междинни продукти са силно разтворими във вода и лесно се абсорбират от чревната стена. Освен това фосфоглицеридите лесно образуват емулсии, които също могат да се абсорбират от чревната стена.
Смилане на стероиди.Стероидите, включени в храната, се емулгират под въздействието на същите фактори като мазнините, след което се подлагат на хидролитично разграждане до свободни стероли и висши мастни киселини. Този процес се осъществява под действието на ензим холестеролова естераза.
Липидна абсорбция
В резултат на смилането на мазнини, фосфатиди, стероиди в лумена на тънките черва се образува значително количество продукти от тяхното частично и пълно хидролитично разграждане: моно- и диглицериди, висши мастни киселини, стероли, азотни основи, фосфорни киселина. Съдържа и малко количество триглицериди, които са във фино емулгирано състояние. Всички тези продукти се абсорбират от стената на тънките черва.
Продукти от храносмилането като мастни киселини и холестерол, слабо разтворими във вода, образуват водоразтворими комплекси с жлъчните киселини - т.нар. холеинови киселини.Тези киселини лесно проникват в епителните клетки на чревната стена, където се разграждат на съставните си части. Освободените жлъчни киселини се връщат в чревния лумен и отново се използват за транспортиране на водонеразтворими продукти от разграждането на мазнините.
Някои от разпадните продукти (глицерол, глицерин фосфорна киселина, азотни основи) са силно разтворими във вода и лесно проникват в епителните клетки. Фосфорна киселинаабсорбира се в епителните клетки на стената на тънките черва под формата на натриеви и калиеви соли. Абсорбцията на липидите се основава на редица сложни физикохимични и биологични процеси, за осъществяването на които е необходима енергията на макроергичните връзки на АТФ.
В епителните клетки на чревната лигавица липидите отново се синтезират от абсорбираните продукти на хидролитичното разцепване. Този ресинтез обаче води до образуването на специфични мазнини, характерни за даден организъм.
За образуване на неутрални мазнини се използват висши мастни киселини, глицерол, моно- и диглицериди. В същото време се извършва синтеза на фосфатиди, за които се използват главно глицерин фосфорна киселина, глицериди и диглицериди, както и малки количества моноглицериди. Стероидите се образуват от холестерол и висши мастни киселини.
В епителните клетки на чревната стена се образуват комплекси с размери 150-200 nm, т.нар. Хило микрони.Вътрешното съдържание на хиломикрона, представено от различни видове образувани липиди, главно триглицериди, е заобиколено от външна протеинова обвивка, поради което хиломикроните са силно разтворими във вода. Хило-микроните дифундират първо в междуклетъчната течност, след това в лимфните капиляри и накрая навлизат в кръвния поток, където под въздействието на хепарина се разпадат на малки частици. С кръвообращението те се разнасят по тялото и се отлагат в резерв в мастни депа - подкожна и перинефрална тъкан, оментум, мезентериум и мускулна тъкан. Част от кръвните мазнини се използват за пластмасови цели, като източник химична енергияи т.н.
По този начин хиломикроните са носители на липиди, образувани в епителните клетки на тънките черва. В същото време те транспортират основно триглицеридите в кръвта.
Заедно с хиломикроните има и други форми на липиден транспорт в кръвта, например α- и β-липопротеини. Техните молекули са сложни комплекси от липиди и протеини. α-липопротеините са основните транспортни форми на фосфатидите, β-липопротеините са носители на холестерола и неговите естери.
Най-подвижната форма на липидите са свободните висши мастни киселини.
Важна роля в активния транспорт на липидите принадлежи на формените елементи на кръвта. Еритроцитите, например, участват в транспорта на фосфатиди и холестерол, левкоцитите - триглицериди.
Голяма роляв липидния метаболизъм принадлежи към мастните депа. Проучванията показват, че в мастните депа се отлагат не само специфични видове мазнини, новосинтезирани в тялото, но и чужди мазнини в малки количества, т.е. включени в храната. Експериментите, проведени върху гладуващи кучета, показаха, че мазнините от храната след усвояване първо навлизат в мастни депа, от които преминават в кръвната плазма.
По този начин мастната тъкан не е пасивно депо за мазнини, нейният състав непрекъснато се актуализира поради липидите, абсорбирани от червата или синтезирани в тялото.
