Окисление на глюкозата до CO 2 и Х 2 O (аеробен разпад).Аеробното разграждане на глюкозата може да се изрази с общото уравнение:
C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 > 6 CO 2 + H 2 O + 2820 kJ / mol.
Този процес включва няколко етапа (Фигура 7-33).
Аеробна гликолиза - процесът на окисление на глюкозата с образуването на две молекули пируват;
Общ път на катаболизъм, включително превръщането на пируват в ацетил-КоА и по-нататъшното му окисление в цитратния цикъл;
CPE за кислород, съчетано с реакции на дехидрогениране, протичащи в процеса на разграждане на глюкозата.
В определени ситуации доставянето на кислород към тъканите може да не отговаря на техните нужди. Например, в началните етапи на интензивна мускулна работа при стрес, сърдечната честота може да не достигне желаната честота и нуждата от кислород на мускулите за аеробно разграждане на глюкоза е висока. 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 именно този процес може да се превърне в единствен източник на енергия за мускулна клетка в описаната ситуация. В бъдеще, когато доставянето на кислород към мускулите е достатъчно в резултат на прехода на сърцето към ускорен ритъм, анаеробният разпад преминава към аеробен. Пътищата на глюкозния катаболизъм и енергийният им ефект са показани на фиг. 7-34.
Б. Аеробна гликолиза
Аеробната гликолиза е процес на окисление на глюкозата до пирогроздна киселина в присъствието на кислород. Всички ензими, които катализират реакциите на този процес, са локализирани в цитозола на клетката.
1. Етапи на аеробна гликолиза
При аеробната гликолиза могат да се разграничат 2 етапа.
Подготвителният етап, по време на който глюкозата се фосфорилира и разделя на две молекули фосфориоза. Тази серия от реакции се осъществява с помощта на 2 АТФ молекули.
Етапът, свързан със синтеза на АТФ. В резултат на тази поредица от реакции фосфотриозите се превръщат в пируват. Освободената на този етап енергия се използва за синтезиране на 10 мола АТФ.
2. Реакции на аеробна гликолиза
Превръщането на глюкозо-6-фосфат в 2 молекули глицералдехид-3-фосфат
Глюкоза-6-фосфат, образуван в резултат на подпомогнато от АТФ фосфорилиране на глюкозата, се превръща във фруктозо-6-фосфат по време на следващата реакция. Тази обратима реакция на изомеризация протича под действието на ензима глюкоза фосфат изомераза.
Това е последвано от друга реакция на фосфорилиране, използваща фосфатния остатък и енергията на АТФ. По време на тази реакция, катализирана от фосфофруктокиназа, фруктозо-6-фосфатът се превръща във фруктозо-1,6-бифосфат. Тази реакция, подобно на хексокиназата, е практически необратима и освен това е най-бавната от всички реакции на гликолиза. Реакцията, катализирана от фосфофруктокиназа, определя скоростта на цялата гликолиза, следователно чрез регулиране на активността на фосфофруктокиназата е възможно да се промени скоростта на глюкозния катаболизъм.
Фруктоза-1,6-бифосфат допълнително се разцепва на 2 триозни фосфата: глицералдехид-3-фосфат и дихидроксиацетон фосфат. Реакцията се катализира от ензим фруктоза бифосфат алдолаза,или просто алдолаза.Този ензим катализира както реакциите на алдолно разцепване, така и на алдолна кондензация, т.е. обратима реакция. Продуктите на реакцията на разцепване на алдол са изомери. В последващите реакции на гликолизата се използва само глицералдехид-3-фосфат, следователно дихидроксиацетон фосфатът се превръща с участието на ензима триоза фосфат изомераза в глицералдехид-3-фосфат (фиг. 7-35).
В описаната серия от реакции фосфорилирането се извършва два пъти с помощта на АТФ. Въпреки това, разходът на две молекули АТФ (на глюкозна молекула) ще бъде компенсиран от синтеза на повече АТФ.
Превръщане на глицералдехид-3-фосфат в пируват
Тази част от аеробната гликолиза включва реакциите, свързани със синтеза на АТФ. Най-сложната реакция в тази серия от реакции е превръщането на глицералдехид-3-фосфат в 1,3-бисфосфоглицерат. Тази трансформация е първата реакция на окисление по време на гликолиза. Реакцията се катализира глицералдехид-3-фосфат дехидрогеназа,който е NAD-зависим ензим. Значението на тази реакция е не само във факта, че се образува редуциран коензим, чието окисляване в дихателната верига е свързано със синтеза на АТФ, но и във факта, че свободната енергия на окисление е концентрирана в макроергичните връзка на реакционния продукт. Глицералдехид-3-фосфат дехидрогеназата съдържа цистеинов остатък в активния център, чиято сулфхидрилна група участва пряко в катализа. Окислението на глицералдехид-3-фосфат води до редукция на NAD и образуване на високоенергийна анхидридна връзка в 1,3-бифосфоглицерат на позиция 1 с участието на H3PO4.При следващата реакция високоенергийният фосфат се прехвърля към ADP с образуването на АТФ. Ензимът, който катализира тази трансформация, е кръстен на обратната реакционна фосфоглицерат киназа (киназите са кръстени на субстрата, разположен от същата страна на уравнението на реакцията с АТФ). Тази серия от реакции е показана на фиг. 7-36.
Образуването на АТФ по този начин не е свързано с дихателната верига и се нарича субстратно ADP фосфорилиране. Образуваният 3-фосфоглицерат вече не съдържа макроергична връзка. При следващите реакции възникват вътрешномолекулни пренареждания, чийто смисъл се свежда до факта, че нискоенергиен фосфоестер преминава в съединение, съдържащо високоенергиен фосфат. Вътремолекулните трансформации се състоят в прехвърляне на фосфатен остатък от позиция 3 във фосфоглицерат до позиция 2. След това водна молекула се отделя от получения 2-фосфоглицерат с участието на ензима енолаза. Името на дехидратиращия ензим идва от обратната реакция. В резултат на реакцията се образува заместен енол - фосфоенолпируват. Полученият фосфоенолпируват е макроергично съединение, чиято фосфатна група се прехвърля при следващата реакция към АДФ с участието на пируват киназа (ензимът също е кръстен на обратната реакция, при която пируватът се фосфорилира, въпреки че такава реакция не отнема място в тази форма).
Превръщането на фосфоенолпируват в пируват е необратима реакция. Това е втората реакция на субстратно фосфорилиране по време на гликолиза. Получената енолна форма на пируват след това неензимно се трансформира в по-термодинамично стабилна кето форма. Описаната серия от реакции е показана на фиг. 7-37.
Ориз. 7-37. Превръщане на 3-фосфоглицерат в пируват.
Схема 10 на реакциите, които протичат по време на аеробна гликолиза и по-нататъшното окисление на пируват, са показани на фиг. 7-33.
Окисление на цитоплазмената NADH в митохондриалната дихателна верига. Совалкови системи
NADH, образуван по време на окисляването на глицералдехид-3-фосфат при аеробна гликолиза, се подлага на окисление чрез прехвърляне на водородни атоми в митохондриалната дихателна верига. Въпреки това, цитозолният NADH не е в състояние да пренася водород към дихателната верига, тъй като митохондриалната мембрана е непроницаема за нея. Пренасянето на водород през мембраната става с помощта на специални системи, наречени "совалка". В тези системи водородът се транспортира през мембраната с участието на двойки субстрати, свързани със съответните дехидрогенази, т.е. от двете страни на митохондриалната мембрана е специфична дехидрогеназа. Известни са 2 совалкови системи. В първата от тези системи, водородът се прехвърля от NADH в цитозола към дихидроксиацетон фосфат чрез ензима глицерол-3-фосфат дехидрогеназа (NAD-зависим ензим, кръстен на обратната реакция). Образуваният по време на тази реакция глицерол-3-фосфат се окислява допълнително от ензима на вътрешната митохондриална мембрана – глицерол-3-фосфат дехидрогеназа (FAD-зависим ензим). След това протоните и електроните от FADH 2 преминават към убихинон и по-нататък по CPE (фиг. 7-38).
Совалковата система на глицерол фосфат работи 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 носителя преминава в митохондриите, където се окислява до оксалоацетат от NAD-зависима малатдехидрогеназа (реакция 2). NAD, намален по време на тази реакция, дарява водород на митохондриалния CPE. Въпреки това, оксалоацетатът, образуван от малат, не може сам да излезе от митохондриите в цитозола, тъй като митохондриалната мембрана е непроницаема за него. Следователно оксалоацетатът се превръща в аспартат, който се транспортира до цитозола, където отново се превръща в оксалоацетат. Превръщането на оксалоацетат в аспартат и обратно е свързано 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 нейната работа е регенерацията на цитоплазмената NAD + от NADH.
И двете совалкови системи се различават значително по количеството синтезиран 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 близко до 3.
4. АТФ баланс по време на аеробна гликолиза и разграждане на глюкозата до CO2 и H2O
Изход на АТФ по време на аеробна гликолиза
Образуването на фруктозо-1,6-бифосфат от една глюкозна молекула изисква 2 АТФ молекули (реакции 1 и 3 на фиг. 7-33). Реакциите, свързани със синтеза на АТФ, възникват след разграждането на глюкозата на 2 молекули фосфориоза, 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 ATP молекули се синтезират чрез окислително фосфорилиране. В този случай количеството ATP (3 или 2) зависи от вида на совалковата система. Следователно окисляването до пируват на една молекула глицералдехид-3-фосфат е свързано със синтеза на 5 АТФ молекули. Като се има предвид, че от глюкоза се образуват 2 молекули фосфотриоза, получената стойност трябва да се умножи по 2 и след това да се извадят 2 молекули АТФ, консумирани в първия етап. По този начин изходът на ATP по време на аеробна гликолиза е (5×2) - 2 = 8 ATP.
Изход на АТФ по време на аеробно разграждане на глюкозата до крайните 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 е възможно да се оцени енергийната ефективност на гликолизата и OPC, които заедно съставляват процеса на аеробна разграждане на глюкозата до крайни продукти (таблици 7-4).
Така добивът на АТФ по време на окисляването на 1 mol глюкоза до CO 2 и H 2 O е 38 mol ATP.
В процеса на аеробно разграждане на глюкозата протичат 6 реакции на дехидрогениране. Един от тях се среща при гликолиза, а 5 в OPC (вижте раздел 6). Субстрати за специфични NAD-зависими дехидрогенази: глицералдехид-3-фосфат, зируват, изоцитрат, β-кетоглутарат, малат. Една реакция на дехидрогениране в цитратния цикъл под действието на сукцинат дехидрогеназа протича с участието на коензима FAD. Общото количество АТФ, синтезирано чрез окислително фосфорилиране, е 17 mol ATP на 1 mol глицералдехид фосфат. Към това трябва да се добавят 3 mol ATP, синтезиран чрез субстратно фосфорилиране (две реакции при гликолиза 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 флавинен ензим).
Таблица 7-4. Етапи на аеробно разграждане на глюкозата
Като се има предвид, че глюкозата се разлага на 2 фосфотриози и че стехиометричният коефициент на по-нататъшни трансформации е 2, получената стойност трябва да се умножи по 2 и 2 mol ATP, използван в първия етап на гликолиза, трябва да се извадят от резултата.
На първия етап глюкозата се разделя на 2 триози:
Така на първия етап на гликолизата 2 молекули АТФ се изразходват за активиране на глюкозата и се образуват 2 молекули 3-фосфоглицералдехид.
На 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 направи възможно протичането на дехидрогеназната реакция на 3-фосфоглицералдехида.
Общото уравнение за гликолиза е:
глюкоза + 2ADP + 2H 3 PO 4 → 2 лактат + 2ATP + 2H 2 O
Гликолизата се извършва в цитозола. Неговото регулиране 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 и образуваните молекули АТФ. 2 АТФ молекули се консумират на глюкозна молекула в хексокиназната реакция и фосфофруктокиназната реакция. 2 АТФ молекули се образуват на молекула триоза (1/2 глюкоза) в реакцията на глицерокиназа и реакцията на пируват киназа. За молекула глюкоза (2 триози) се образуват съответно 4 АТФ молекули. Общ баланс: 4 ATP - 2 ATP = 2 ATP. 2 АТФ молекули натрупват в себе си ≈ 20 kcal, което е около 3% от енергията на пълно окисление на глюкозата (686 kcal).
Въпреки относително ниската енергийна ефективност на анаеробната гликолиза, тя има важно значение биологично значение, което е това единственияначин за генериране на енергия в условия без кислород. В условия на недостиг на кислород осигурява извършването на интензивна мускулна работа в началния период на физическа активност.
В тъканите на плодаанаеробната гликолиза е много активна в условия на кислороден дефицит. Той остава активен по време на новородени, постепенно преминаващ към аеробно окисление.
По-нататъшно превръщане на млечна киселина
- С интензивно снабдяване с кислород при аеробни условия, млечната киселина се превръща в PVC и чрез ацетил CoA 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 Р. Кори.
Цикъл на Кори
- При високи концентрации на млечна киселина в тъканите, за предотвратяване на подкиселяване (ацидоза), тя може да се отдели през бъбреците и потните жлези.
Аеробно окисление на глюкоза
Аеробното окисление на глюкозата включва 3 етапа:
Етап 1 настъпва в цитозола, е образуването на пирогроздна киселина:
Глюкоза → 2 PVC + 2 ATP + 2 NADH 2;
Етап 2 протича в митохондриите:
2 PVC → 2 ацетил - CoA + 2 NADH 2;
Етап 3 се извършва вътре в митохондриите:
2 ацетил - CoA → 2 TCA.
Поради факта, че на първия етап в цитозола се образуват 2 молекули NADH 2 и те могат да бъдат окислени само в митохондриалната дихателна верига, е необходим пренос на водород от NADH 2 на цитозола към интрамитохондриални електронни транспортни вериги. Митохондриите са непроницаеми за NADH 2, така че има 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 совалка.
Глицерофосфатен совалков механизъм,при която има загуба на две молекули АТФ, т.к. вместо две молекули NADH 2 (потенциално 6 ATP молекули), се образуват 2 FADH 2 молекули (всъщност 4 ATP молекули).
Малък совалков механизъмработи върху отстраняването на водорода от митохондриалния матрикс:
Енергийна ефективност на аеробното окисление.
- глюкоза → 2 PVC + 2 ATP + 2 NADH 2 (→ 8 ATP).
- 2 PVC → 2 ацетил CoA + 2 NADH 2 (→ 6 ATP).
- 2 ацетил CoA → 2 TCAs (12*2 = 24 ATP).
Общо е възможно образуването на 38 АТФ молекули, от които е необходимо да се извадят 2 АТФ молекули, загубени в механизма на глицерофосфатната совалка. Така се образува 36 ATP.
36 ATP (около 360 kcal) е от 686 kcal. 50-60% е енергийната ефективност на аеробното окисление на глюкоза, което е двадесет пъти по-високо от ефективността на анаеробното окисление на глюкоза. Следователно, в тъканите, когато влезе кислород, 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 синтеза на глюкоза в организма от невъглехидратни вещества, който е в състояние да поддържа нивата на глюкоза дълго време при липса на въглехидрати в храната. Изходните вещества за него са млечна киселина, PVC, аминокиселини, глицерин. Глюконеогенезата е най-активна в черния дроб и бъбреците. Този процес е вътреклетъчно локализиран отчасти в цитозола, отчасти в митохондриите. Като цяло глюконеогенезата е обратният процес на гликолизата.
Гликолизата има три необратими стъпки, катализирани от ензими:
пируват киназа;
фосфофруктокиназа;
хексокиназа.
Следователно, в глюконеогенезавместо тези ензими, има специфични ензими, които "заобикалят" тези необратими стъпки:
- пируват карбоксилаза и карбоксикиназа ("байпас" пируват киназа);
- фруктозо-6-фосфатаза ("заобикаля" фосфофруктокиназата);
- глюкозо-6-фосфатаза („заобикаля“ хексокиназата).
Глюкоза-6-фосфат се превръща в глюкоза под действието на глюкозо-6-фосфатаза, която се освобождава от хепатоцитите в кръвта.
Ключовите ензими за глюконеогенезата са пируват карбоксилазаи фруктозо-1,6-дифосфатаза. АТФ е активаторът за тях (за синтеза на една молекула глюкоза са необходими 6 АТФ молекули).
Така високата концентрация на АТФ в клетките активира глюконеогенезата, която изисква енергия, и в същото време инхибира гликолизата (на етапа на фосфофруктокиназата), което води до образуването на АТФ. Тази позиция е илюстрирана от графиката по-долу.
Витамин Н
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 mg. Авитаминозата се проявява с дерматит, увреждане на ноктите, увеличаване или намаляване на образуването на себум (себорея). Биологична ролявитамин Н:
- участва в реакциите на карбоксилиране;
- участва в реакциите на транскарбоксилиране;
- участва в обмяната на пуринови бази, някои аминокиселини.
Глюконеогенезата е активна през последните месеци вътрематочноразвитие. След раждането на дете активността на процеса се увеличава, започвайки от третия месец от живота.
Разграждането на въглехидратите при аеробни условия може да протече по директен (апотомен или пентозен) начин и по индиректен (дихотомен) начин.
Дихотомично (на гръцки dicha - на две части, том-сечение) окисляването на въглехидратите протича по уравнението:
C6H12O6 + 6O2 \u003d 6 CO2 + b H2O + 686 kcal
Този път е основният при 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 превръщане на глюкозата в пируват с едновременно 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 свиващ 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 млечната киселина. По време на гликолизата се образува АТФ. Общото уравнение за гликолиза може да бъде представено, както следва:
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 в условия на недостиг на кислород. Когато гликолизата настъпва в присъствието на кислород, говорим за аеробна гликолиза. Първата ензимна реакция на гликолизата е фосфорилирането, т.е. прехвърляне на ортофосфатния остатък към глюкоза за сметка на АТФ. Реакцията се катализира от ензима хексокиназа:
Втората реакция на гликолизата е превръщането на глюкозо-6-фосфат от ензима глюкозо-6-фосфат изомераза във фруктозо-6-фосфат:
Третата реакция се катализира от ензима фосфофруктокиназа; полученият фруктозо-6-фосфат отново се фосфорилира от втората молекула на АТФ:
Четвъртата реакция на гликолизата се катализира от ензима алдолаза. Под въздействието на този ензим фруктозо-1,6-бифосфатът се разцепва на две фосфотриози:
Петата реакция е реакцията на изомеризация на триозен фосфат. Катализира се от ензима триоза фосфат изомераза:
Образуването на глицералдехид-3-фосфат като че ли завършва първия етап на гликолизата. Вторият етап е най-трудният и важен. Той включва редокс реакция (гликолитична оксидоредукция), свързана със субстратно фосфорилиране, по време на която се образува АТФ. В резултат на шестата реакция глицералдехид-3-фосфат в присъствието на ензима глицералдехидрофосфат дехидрогеназа, коензим NAD и неорганичен фосфат претърпява вид окисление с образуването на 1,3-бисфосфоглицеринова киселина и редуцираната форма на NAD ( NADH). Тази реакция се блокира от йод или бромоацетат, протича на няколко етапа:
Седмата реакция се катализира от фосфоглицерат киназа, с прехвърляне на богат на енергия фосфатен остатък (фосфатна група в позиция 1) към ADP с образуването на АТФ и 3-фосфоглицеринова киселина (3-фосфоглицерат):
Осмата реакция е придружена от вътрешномолекулен трансфер на останалата фосфатна група и 3-фосфоглицериновата киселина се превръща в 2-фосфоглицеринова киселина (2-фосфоглицерат).
Деветата реакция се катализира от ензима енолаза, докато 2-фосфоглицеринова киселина, в резултат на елиминирането на водна молекула, преминава във фосфоенолпирувинова киселина (фосфоенолпируват), а фосфатната връзка в позиция 2 става високоергична:
Десетата реакция се характеризира с разкъсване 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 се редуцира пирогроздена киселина и се образува млечна киселина. Реакцията протича с участието на ензима лактат дехидрогеназа и коензима NADH, образуван в шестата реакция:
Биологичното значение на процеса на гликолиза се крие преди всичко в образуването на богати на енергия фосфорни съединения. В първите етапи на гликолизата се консумират 2 молекули АТФ (хексокиназна и фосфофруктокиназна реакции). На следващите се образуват 4 АТФ молекули (реакции на фосфоглицерат киназа и пируват киназа). По този начин енергийната ефективност на гликолизата при анаеробни условия е 2 АТФ молекули на глюкозна молекула.
-
Аеробика окисляване въглехидрати. Разпад въглехидратив аеробниусловията могат да преминат директен (апотомичен или пентозен) път и индиректен (дихотомен) път. -
Аеробика окисляване въглехидрати. Разпад въглехидратив аеробниусловия могат да преминат директен (апотомия или пентоза) път и. -
Гликолизата е най-простата форма на биол. механизъм за съхранение на енергия въглехидратив АТФ.
С енергийно по-благоприятно аеробни окисляванеот една молекула глюкоза... -
Окислителенфосфорилирането би било по-правилно да се нарече фосфорилиране в дихателната верига.
Аеробика окисляване въглехидрати. -
- PHA може да влезе в реакции на глюконеогенеза с образуването въглехидрати- Глюкоза или гликоген.
Активирането на FA настъпва в цитоплазмата и b- окисляване- в митохондриите. -
В процеса на дишане въглехидрати, мазнините и протеините преминават през многоетапно окисляване, което води до възстановяване на основните доставчици на VE за респираторни флавини... -
Гликонеогенеза – образование въглехидрати(глюкоза или гликоген) от вещества с невъглехидратен произход.
Окислителенетап: 2 реакции окисляванехексозен фосфат без кислород. -
Основен въглехидратимляко - лактоза - присъства в млякото на всички видове бозайници.
Окислениепируват до ацетил-КоА се осъществява с участието на редица ензими и коензими ... -
При изгаряне на 1гр въглехидратиОбразуват се 4 kcal. Това е по-малко от това на мазнините (9 kcal).
г. Въглехидратикато източник на енергия имат способността окисляватв тялото като аеробни, така... -
В основата съвременни идеиза разграждането на мастните киселини в тъканите се крие теорията - окисляване
GBF път на разпадане въглехидратиосигурява енергия за синтез.
Намерени подобни страници:10
Аеробното окисление на въглехидратите е основният начин за генериране на енергия за тялото. Непряко - дихотомично и директно - апотомно.
Директният път за разграждането 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 молекула глюкоза се случва в рамките на 6 повтарящи се цикъла.
Значението на пентозофосфатния цикъл на окисление на въглехидратите в метаболизма е голямо:
1. Доставя намален NADP, необходим за биосинтеза на мастни киселини, холестерол и др. Поради пентозния цикъл, нуждата на тялото от NADPH 2 се покрива с 50%.
2. Доставка на пентозни фосфати за синтез нуклеинова киселинаи много коензими.
Реакциите на пентозния цикъл протичат в цитоплазмата на клетката.
При редица патологични състояния делът на пентозния път на окисление на глюкоза се увеличава.
косвен път- разграждането на глюкозата до въглероден диоксид и вода с образуването на 36 АТФ молекули.
1. Разграждането на глюкозата или гликогена до пирогроздна киселина
2. Превръщане на пирогроздена киселина в ацетил-КоА
Окисление 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 преобразуване, пирогрозената киселина се подлага на окислително декарбоксилиране, за да образува ацетил-КоА, който след това се окислява до въглероден диоксид и вода.
Окислението на пируват до ацетил-КоА се катализира от пируват дехидрогеназната система и протича на няколко етапа. Обща реакция:
Пируват + NADH + HS-CoA ацетил- CoA + NADH 2 + CO 2 реакцията е почти необратима
Пълното окисление на ацетил-КоА настъпва 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 оксалооцетна киселина, в резултат на което се получава съединение с 6 въглеродни атома - лимонена киселина. В процеса на дехидрогениране, декарбоксилиране и подготвителна реакция лимонената киселина отново се превръща в оксалооцетна киселина, която лесно се комбинира с друга молекула ацетил-КоА.
1) ацетил-КоА + оксалоацетат (PIEC) лимонена киселина
цитрат синтаза
2) лимонена киселина изолимонена киселина
аконитат хидратаза
3) изолимонена киселина + НАД-кетоглутарова киселина + NADH 2 + CO 2
изоцитрат дехидрогеназа
4) -кетоглутарова киселина + HS-CoA + NADсукцинил SCoA + NADH 2 + CO 2
5) сукцинил-CoA + GDP + янтарна киселина + GTP + HS-CoA
сукцинил СоА синтетаза
6) янтарна киселина + FADфумарова киселина + FADH 2
сукцинат дехидрогеназа
7) фумарова киселина + H 2 O L ябълчна киселина
фумарат хидратаза
8) малат + NADoxaloacetate + NADH 2
малат дехидрогеназа
Общо, когато една молекула глюкоза се разгражда в тъканите, се синтезират 36 АТФ молекули. Несъмнено това е енергийно по-ефективен процес от гликолизата.
Цикълът на Кребс е общият краен път, който завършва метаболизма на въглехидратите, мастните киселини и аминокиселините. Всички тези вещества се включват в цикъла на Кребс на един или друг етап. Тогава настъпва биологично окисление или тъканно дишане, основна характеристикакоето е, че протича постепенно, през множество ензимни етапи. Този процес протича в митохондриите, клетъчни органели, които съдържат голям брой ензими. Процесът включва пиридин-зависими дехидрогенази, флавин-зависими дехидрогенази, цитохроми, коензим Q - убихинон, протеини, съдържащи нехемово желязо.
Интензивността на дишането се контролира от съотношението ATP/ADP. Колкото по-ниско е това съотношение, толкова по-интензивно е дишането, осигуряващо производството на АТФ.
Също така 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 уреята и някои единици пуринови и пиримидинови пръстени.
Връзката между процесите на въглехидратния и азотния метаболизъм се постига и чрез междинните продукти на цикъла на лимонената киселина.
Има няколко пътя, по които междинните продукти от цикъла на лимонената киселина се включват в процеса на липогенеза. Разцепването на цитрата води до образуването на ацетил-КоА, който играе ролята на прекурсор в биосинтеза на мастни киселини.
Изоцитратът и малатът осигуряват образуването на NADP, който се консумира в следващите етапи на възстановяване на синтеза на мазнини.
Роля ключов фактор, който определя превръщането на NADH играе състоянието на адениновите нуклеотиди. Високото съдържание на ADP и ниското ATP показва нисък енергиен резерв. В същото време NADH участва в реакциите на дихателната верига, засилвайки процесите на окислително фосфорилиране, свързано със съхранението на енергия. Обратното явление се наблюдава при ниско съдържание на ADP и високо ATP. Чрез ограничаване на системата за транспорт на електрони, те насърчават използването на NADH в други редуциращи реакции като синтез на глутамат и глюконеогенеза.
Дъх.Аеробното окисляване на въглехидратите се случва в присъствието на атмосферен кислород, поради което често се нарича дишане.
За разлика от гликолизата (гликогенолиза), където провинената киселина служи като краен акцептор на водородни и електронни атоми, кислородът играе ролята на такъв акцептор по време на дишането. В първия случай като краен продукт се образува млечна киселина, в която 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, както и гликолизата, се придружава от образуването на фосфатни естери на глюкоза и фруктоза, фосфатиоза-диоксиацетон фосфат и глицералдехид-3-фосфат, както и такива междинни продукти като 1,3-дифосфорна киселина, фосфоглицефат-фосфат, и пирогроздна киселина. Много от реакциите на гликолизата и дишането се катализират от едни и същи ензими. С други думи, по време на дишането превръщането на глюкозата в млечна киселина преминава през всички същите стъпки, както при гликолизата. В този случай обаче водородните атоми, отцепени от глицералдехид-3-фосфат, не редуцират пирогроздната киселина, а се прехвърлят към кислород, преминавайки през сложна система от ензими на дихателната верига.
Млечната киселина, образувана в процеса на гликолиза, както вече беше споменато, все още съдържа доста значителен запас (около 93%) от потенциална енергия. Въпреки това, първите живи организми, които са извличали енергия при анаеробни условия, са я освободили заобикаляща среда.
С навлизането на кислород в земната атмосфера живите организми разработиха нови, по-усъвършенствани окислителни механизми, в резултат на което количеството освободена енергия се оказа много по-голямо, отколкото по време на гликолиза, тъй като крайният продукт на дишането е CO 2, чийто въглероден атом е напълно окислен. Наред с това природата е създала и нови механизми за допълнително окисление на крайния продукт от гликолизата, който се отделя в околната среда. С други думи, изглежда е създал надстройка над гликолизата за окисляване на крайния продукт при аеробни условия, като същевременно запазва много от етапите си както преди.
Дишането не произвежда млечна киселина. Следователно, пирогроздовата киселина е общият субстрат или централната връзка, където гликолизата завършва и дишането започва (или пътищата на гликолизата и дишането - анаеробно и аеробно окисление на глюкоза) се разминават.
Запазвайки 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 са в състояние да получават енергия по този начин. Въпреки това, в същото време млечната киселина, образувана при анаеробни условия, която има доста голям запас от енергия, не се отделя в околната среда, а се натрупва в мускулите. От мускулите той се транспортира с кръвния поток до черния дроб, където отново се превръща в глюкоза. Когато достатъчно количество кислород навлезе в клетката, част от млечната киселина се окислява допълнително до CO 2 и H 2 O.
Трансформация на млечна киселина. Млечната киселина, образувана по време на анаеробното окисление на глюкозата, се окислява до CO 2 и H 2O, както следва. Първо, под действието на ензим лактат дехидрогеназа,чийто коензим е NAD, той се окислява до пирогроздна киселина:
което след това се влияе пируват декарбоксилаза,който е сложен полиензимен комплекс, претърпява окислително декарбоксилиране с образуването на активната форма на оцетна киселина - ацетил-КоА:
където TPP е тиамин пирофосфат; LA - липоева киселина; HSKOA - коензим А.
В случай, че тъканите са добре снабдени с кислород, пирогрозената киселина се подлага на окислително декарбоксилиране незабавно, без да се редуцира до млечна киселина. Редуцираният коензим NAD H + H +, образуван по време на окисляването на глицералдехид-3-фосфат, пренася водорода чрез ензимите на аеробния метаболизъм (т.е. дихателната верига) до кислорода, образувайки вода.
Превръщането на пировиноградна киселина в ацетил-КоА е подготвителен или преходен етап, поради който въглехидратите чрез пирогроздна киселина, а след това и през ацетил-КоА, се включват в нов етап - кислородно окисление. С други думи, този процес е връзката между гликолизата и самото дишане. Въпреки това, вече в резултат на окислително декарбоксилиране на пирогроздена киселина до ацетил-КоА се освобождава около 9% от общата енергия на окисление на глюкоза, т.е. повече, отколкото при гликолизата като цяло, при която се освобождават само 5-7% от енергията. Като се има предвид 5-7 % енергията на гликолизата и 9% от енергията на окислителното декарбоксилиране на пирогроздена киселина, след което се освобождават общо 14-16% от енергията, натрупана във въглехидратите. Следователно останалите 84-86 % енергията се съхранява в молекулата на оцетната киселина.
Цикълът на трикарбоксилната киселина (цикълът на Кребс) е нов, по-усъвършенстван механизъм за окисляване на въглехидратите, разработен в живите организми с появата на кислород на Земята. С помощта на този механизъм по-нататъшното превръщане на оцетната киселина под формата на ацетил-КоА в CO 2 и H 2 O се осъществява при аеробни условия с освобождаване на енергия.
Поради факта, че първите субстрати в процеса на окисление на оцетната киселина са трикарбоксилните киселини, а хипотезата за механизма на това окисление е изложена от X. A. Krebs, процесът е наречен цикъл на трикарбоксилна киселина или цикъл на Кребс.
Първата реакция на 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 лимонена киселина, цитрил-КоА:
Хидролизиран, цитрил-КоА се превръща в лимонена киселина:
Последният под действието на ензим аконитат хидратазасе превръща в цис-аконинова киселина, която при добавяне на вода се превръща в изолимонена киселина:
Изосолената киселина допълнително се окислява чрез отделяне на два водородни атома, превръщайки се в оксалоянтарна киселина. Тази реакция започва отстраняването на CO 2 и първото окисление на ацетил-КоА в трикарбоксилния цикъл. Оксалова-янтарна киселина, декарбоксилирана, се превръща в α-кетоглутарова киселина. Дехидрогенирането на изоцитрината и декарбоксилирането на оксалова-янтарна киселина се катализира от ензима изоцитрат дехидрогеназас участието на коензима NAD +:
Следващата стъпка в цикъла на трикарбоксилната киселина е окислителното декарбоксилиране на α-кетоглутарова киселина, което води до образуването на янтарна киселина. Този процес протича на два етапа. Първо, α-кетоглутаровата киселина се подлага на окислително декарбоксилиране, за да образува активната форма на янтарна киселина - сукцинил-CoA - и CO 2 . Тази реакция наподобява реакцията на превръщане на пирогроздена киселина в ацетил-КоА и също се катализира от сложен полиензимен комплекс - α -кетоглутарат дехидрогеназа.В резултат на тази реакция се получава второто елиминиране на въглеродния диоксид и дехидрогенирането на оцетната киселина, която влезе в цикъла:
Получената активна форма на янтарна киселина, сукцинил-КоА, за разлика от ацетил-КоА, е високоенергийно тиоетерно съединение, в което се акумулира енергията на окисляване на α-кетоглутаровата киселина.
На следващия етап 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 субстратно фосфорилиране.
В по-нататъшния ход на цикъла на трикарбоксилната киселина се случват още две дехидрогенирания. Янтарна киселина под действието сукцинат дехидрогеназас участието на коензима FAD + отцепва два водородни атома и се превръща във фумарова киселина, а FAD + се редуцира до FAD H 2. След това фумарова киселина, чрез добавяне на водна молекула, образува ябълчна киселина (малат), която с помощта на малат дехидрогеназаи коензимът NAD + отново се подлага на дехидрогениране. В този случай се образува оксалооцетна киселина, т.е. субстратът, от който започва цикълът на трикарбоксилната киселина:
Регенерираната оксалооцетна киселина може да реагира отново с новата молекула ацетил-КоА и процесът ще започне в същия ред.
Обща схемаЦикълът на трикарбоксилната киселина може да бъде представен по следния начин:
Цикъл на трикарбоксилна киселина
(кутиите показват крайните продукти от окислението на ацетил-КоА).
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 в резултат на реакциите се образуват осем водородни атома: шест атома се използват за намаляване на NAD + и два - за намаляване на FAD + сукцинат хидрогеназа.
Цялостната реакция на този цикъл се описва със следното уравнение:
CH3COOH + 2H2O → 2CO2 + 8H,
от което следва, че четири водородни атома принадлежат на водата. Следователно останалите четири се образуват по време на дехидрогенирането на оцетната киселина, т.е. това е целият водород, който е бил в състава на неговата молекула. В същото време два въглеродни атома се освобождават под формата на въглероден оксид (IV) два пъти (веднъж при декарбоксилирането на оксалова-янтарна киселина, вторият - при декарбоксилирането на α-кетоглутарова киселина), т.е. точно толкова, колкото са влезли в цикъла под формата на ацеталова група.
От горното уравнение също следва, че нито кислород, нито АТФ, нито неорганична фосфорна киселина участват в цикъла. Всички тези метаболити взаимодействат в дихателната верига, която включва неорганична фосфорна киселина, водородни атоми и кислород, отцепени по време на дехидрогенирането, а АТФ се образува в резултат на окислително фосфорилиране. Енергията за този процес се освобождава в резултат на редокс реакции по време на прехвърлянето на водородни атоми и електрони от редуцираните форми на NAD H 2 и FAD H 2 към кислород.
Процесът на окислително фосфорилиране е описан подробно в гл. 22. Само припомняме, че за всяка двойка електрони (двойка водородни атоми) в дихателната верига се образуват три молекули АТФ чрез окислително фосфорилиране (една по време на прехвърлянето на водородни атоми от NAD H + H + към FAD, втората - по време на прехвърлянето на двойка електрони от цитохрома бкъм цитохром си третият - от цитохром а 3към кислороден атом). По този начин всеки окислителен етап в 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 въглехидратното окисление.Нека първо обобщим енергийния баланс, дължащ се на дехидрогенирането на оцетната киселина в цикъла на Кребс. Както вече установихме, в този цикъл се случват четири дехидрогенирания, което води до образуването на три редуцирани форми на NAD, една FAD и една молекула ATP се синтезира чрез субстратно фосфорилиране:
Така в цикъла на Кребс се синтезира шест пъти повече АТФ, отколкото при гликолиза. Ако вземем предвид още две редуцирани молекули NAD, образувани по време на окисляването на млечната и пирогроздена киселина, това ще възлиза на още 6 АТФ молекули, а общо - 18. Тъй като глюкозата се разпада на две фосфотриози, количеството на АТФ се увеличава с 2 пъти и ще бъде 36 молекули.
Като добавим към това 2 молекули АТФ, образувани по време на гликолизата, получаваме общия баланс на енергия, натрупан в макроергичните връзки на АТФ по време на окисляването на глюкозата до CO 2 и H 2 O: 36 + 2 = 38.
Установено е, че пълното окисление на 1 mol глюкоза до CO 2 и H 2 O е придружено от освобождаване на 2872 kJ. 38 АТФ молекули натрупват 1270-1560 kJ, т.е. приблизително 50% от общата енергия, освободена по време на процеса на окисление. Следователно останалите 50 % енергията се разсейва в тялото под формата на топлина за поддържане на подходящата температура.
От разглежданите 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 освобождават само 197 kJ енергия, от които 40 % се натрупва в макроергичните връзки на две молекули АТФ, след което в аеробната фаза се освобождава 2872 - 197 = 2675 kJ, което е около 93% от общата енергия. Така тялото получава по-голямата част от енергията чрез дишане.
Начин на апотомияокисление на глюкоза. Заедно с цикъла на Кребс в много клетки има друг начин за разграждане на глюкозата, наречен апотомичен,или пентозен фосфат.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 окисление 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 за окисление на глюкозата. Основната му цел е да доставя клетките с редуцирани форми на NADP, необходими за биосинтеза на мастни киселини, холестерол, пуринови и пиримидинови основи, стероиди и др. Втората функция на този път е, че доставя пентози, главно D-рибоза, за синтеза на нуклеинови киселини.
Пътят на пентозофосфата за разграждането на глюкозата може да бъде обобщен със следното уравнение:
Глюкоза-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 глюкозата.
биосинтеза на въглехидрати
Има два основни начина за биосинтезиране на въглехидрати от относително неусложнени метаболити. Един от тях е да намали въглеродния диоксид до глюкоза. Този процес, характерен за зелените растения и наречен 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.
Улавяйки слънчевите лъчи и превръщайки енергията им във въглехидратна енергия, зелените растения осигуряват запазването и развитието на живота на Земята. Това е, според К. А. Тимирязев, космическата роля на зелените 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 акад. М. Ф. Гули показа, че тъканите на висшите животни също са способни да фиксират въглероден диоксид, въпреки че механизмът на фиксирането му се различава от този на фотосинтетичните клетки. Състои се в изграждането на въглеродния скелет с въглероден оксид (IV) на такива субстрати като кето киселини, мастни киселини, аминокиселини и др.
В черния дроб, бъбреците и скелетните мускули на хората и висшите животни има друг път за биосинтеза на въглехидрати, наречен глюконеогенеза.Това е синтез на глюкоза от пировиноградна или млечна киселина, както и от така наречените гликогенни аминокиселини, мазнини и други прекурсори, които по време на метаболизма могат да се превърнат в пирогроздна киселина или метаболити от цикъла на трикарбоксилната киселина.
Глюконеогенезата е обратният път към 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 стъпки на гликолиза са заменени от реакции на "байпас" с по-малко вложена енергия.
Първата байпасна реакция е превръщането на пирогроздена киселина във фосфоенолпирогроздна киселина. Тъй като разграждането на глюкозата се извършва в митохондриите и синтезът се извършва в цитоплазмата, на първия етап митохондриалната пирогроздна киселина първо се превръща в оксалооцетна киселина. Тази трансформация се катализира от ензим пируват карбоксилаза,активиран ацетил-КоА с участието на АТФ. След това получената оксалооцетна киселина се редуцира с участието на NAD H + H + в ябълчна киселина:
Пирогрозна киселина + CO 2 Оксалооцетна киселина 
Ябълкова киселина.
Ябълчната киселина дифундира в цитоплазмата, окислява се от цитоплазмената малатдехидрогеназа с образуването на цитоплазмена оксалооцетна киселина, от която се образува фосфоенолпирувинова киселина. Тази реакция се катализира фосфоенолпируват карбоксикиназа.Донорът на фосфорна киселина е GTP:
Ябълкова киселина 
Оксалоцетна киселина Фосфоенолпирувинова киселина.
Това е последвано от цяла поредица от обратни реакции, завършващи с образуването на фруктозо-1,6-дифосфат. Превръщането на фруктозо-1,6-дифосфат във фруктозо-6-фосфат е втората необратима реакция на гликолизата. Следователно, той не се катализира от фосфофруктокиназа, а от фруктоза дифосфатаза.Този ензим катализира необратимата хидролиза на 1-фосфатната група:
Фруктоза-1,6-дифосфат + H 2 O → Фруктоза-6-фосфат + H 3 RO 4.
На следващия (обратим) етап на биосинтеза на глюкоза, фруктозо-6-фосфатът се превръща в глюкозо-6-фосфат под действието на фосфоглюко-изомеразигликолиза.
Разграждането на глюкозо-6-фосфат до глюкоза е третата необратима реакция, която не се осъществява чрез обръщане от хексокиназа. Свободната глюкоза се произвежда от глюкозо-6-фосфатаза,катализира реакцията на хидролиза:
Глюкоза-6-фосфат + H 2 O → Глюкоза + H 3 PO 4.
В повечето клетки глюкозо-6-фосфатът, образуван по време на гликогенолизата, се използва като прекурсор за биосинтеза на олиго- и полизахариди. Съединението играе важна роля в биосинтеза на тези сложни захари уридин фосфоглюкоза,който действа като междинен транспортер на глюкоза.
По време на биосинтезата на гликоген, например, глюкозо-6-фосфат, превръщайки се в глюкозо-1-фосфат под действието на фосфоглюкомутаза, взаимодейства с уридин трифосфорна киселина (UTP) - съединение, подобно на АТФ, което вместо аденин включва азотни база урацил. В резултат на това взаимодействие, глюкозо-I-фосфат уридилтрансферазаобразува се уридил дифосфоглюкоза:
Глюкоза-1-фосфат + UTP UDP-глюкоза + Fn.
На последния етап от биосинтеза на гликоген в реакция, катализирана от гликоген синтетаза,глюкозният остатък от UDP-глюкоза се прехвърля към крайния глюкозен остатък на амилазната верига с образуването на 1,4-гликозидна връзка (вж. Глава 16). Разклоняването на гликогена чрез образуването на 1,6 връзки е завършено амил-1,4-1,6-трансглюкозидаза.
Биосинтезата на гликоген се осъществява не само от глюкозо-6-фосфат, образуван от глюконеогенезата. Както бе отбелязано по-горе, част от глюкозата след усвояване също се използва за нейната биосинтеза. Синтезът на гликоген, като процес на образуване на подвижен резерв от въглехидрати в организма, е от 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 други тъкани и се предотвратява загубата й с урината при хранене, особено въглехидрати. Освен това отлагането на гликоген в черния дроб допринася за постепенното използване на въглехидратите в зависимост от състоянието на организма.
Използването на глюкоза за синтеза на гликоген се предшества от образуването на глюкозно-фосфорни естери. Първо се образува глюкоза-со-6-монофосфат. Енергиен източник и донор на фосфат е АТФ. Тази реакция се катализира от хексокиназа. Под действието на ензима фосфоглюкомутаза глюкозо-6-монофосфатът се превръща в глюкозо-1-монофосфат:
По-нататъшното превръщане на глюкозо-1-монофосфата в гликоген протича по вече познат за нас начин.
Глава 24
Липидите са голяма група органични съединения. Всички те се различават по своите химичен състави структура, но имат едно общо свойство за тях - неразтворимост във вода. Тъй като ензимите, които действат върху тях органични съединения, водоразтворими, разцепване и усвояване на липиди в храносмилателния канал се характеризират с някои особености. Наличието на липиди с различна структура предизвиква различни начини на тяхното разделяне и синтез.
Нека се спрем на метаболизма на мазнините, фосфатидите и стеридите, които имат най-важното биологично значение.
Метаболизмът на липидите, подобно на въглехидратите, е многоетапен процес, който се състои от храносмилане, усвояване, транспорт на липиди чрез кръвта, вътреклетъчно окисление и биосинтеза.
Липидно храносмилане
Храносмилане на триглицеридите.Триглицеридите или неутралните мазнини са концентрирани източници на енергия в тялото. Когато 1 g мазнини се окисли, се освобождават около 38,9 kJ енергия. Тъй като са хидрофобни съединения, мазнините се съхраняват в компактна форма, заемайки сравнително малко място в тялото. Заедно с храната ежедневно в човешкото тяло влизат до 70 г растителни и животински мазнини. По своята химическа природа те са главно триглицериди.
Мазнините се разграждат от ензими, наречени липази.Слюнката не съдържа такива ензими, така че мазнините не претърпяват никакви промени в устната кухина. В стомаха липазната активност е много слаба. Това се дължи на факта, че в стомаха реакцията на средата 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.
Храносмилането на мазнините в стомаха се случва само при новородени и кърмачета. Това се дължи на факта, че pH на околната среда в стомаха на новородените е 5,6 и при тези условия липазата е по-активна. Освен това мазнината на майчиното мляко, която е основната храна на децата през този период, е в силно емулгирано състояние, а самото мляко съдържа липолитичен фактор, който участва в усвояването на мазнините.
Въпреки това, стомахът все още играе роля в процеса на усвояване на мазнините при възрастни. Той регулира притока на мазнини в червата и усвоява протеините, като по този начин освобождава мазнините от хранителните липопротеинови комплекси.
Основното място за смилане на мазнините е дванадесетопръстника и 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 съставните им части е тяхното дисперсия(раздробяване) за образуване на тънка емулсия. Диспергирането и емулгирането на мазнините се получава в резултат на действието на няколко фактора: жлъчни киселини, свободни висши мастни киселини, моно- и диглицериди и протеини. Това се улеснява и от перисталтиката на червата и постоянно образувания въглероден диоксид, който се отделя при взаимодействието на киселинните компоненти на храната, идващи от стомаха, с карбонатите на червата, които създават алкална среда. Полученият въглероден диоксид "мехурчета" през хранителната маса, като по този начин участва в разпръскването на мазнините. Неутрализирането на съдържанието на стомаха се улеснява и от навлизането в лумена на тънките черва на жлъчка, която има алкален характер.)
Жлъчката е вискозна течност със светложълт цвят със специфична миризма, горчив вкус. Жлъчката съдържа жлъчни киселини. жлъчни пигменти, продукти от разпадането на хемоглобина, холестерол, лецитин, мазнини, някои ензими, хормони и др. Жлъчката подпомага перисталтиката на тънките черва, има бактериостатичен ефект върху неговата микрофлора. Отровите се отделят от тялото с жлъчка. Също така 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 холестерол и се намират в жлъчката както в свободно, така и в свързано състояние, както и под формата на натриеви соли. Човешката жлъчка съдържа основно три жлъчни киселини. Основната част са холова (3,7,12-трихидроксихоланова) и дезоксихолова (3,12-дихидроксихоланова), малка част са литохоловата (3-хидроксихоланова) киселини, които са производни на холанова киселина:
Холевата киселина може да се намери и в жлъчката в свързано състояние под формата на сдвоени съединения с глицин и цистеиново производно таурин - гликохолова и таурохолова киселини, съответно:
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 фина и стабилна емулсия с диаметър на частиците около 0,5 микрона. Образуването на емулсия се улеснява и от моноглицериди и висши мастни киселини. Емулгирането на мазнините води до огромно увеличаване на контактната повърхност на липазата с воден разтвор. По този начин, колкото по-тънка е емулсията на мазнините, толкова по-добре и по-бързо се разграждат от липазата. Освен това, под формата на тънка емулсия, мазнините могат дори да се абсорбират директно от чревната стена, без да се разделят на съставните й части.
В присъствието на жлъчни киселини, под действието на липазата, в лумена на тънките черва настъпва хидролитично разцепване на мазнините. В резултат на това се образуват продукти на частично и пълно разграждане на мазнините - моно- и диглицериди, свободни висши мастни киселини и глицерол:
Съдържа и част от неразцепената мазнина под формата на много тънка емулсия. Всички тези продукти се абсорбират допълнително от чревната стена. В тази смес триглицеридите са около 10 % , моно-
идизахариди - също 10 % , а основната част - около 80% - продукти от пълното разграждане на мазнините - глицерин и висши мастни
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 разцепване на, например, лецитин протича по следния начин:
Незначителна част от фосфатидите претърпява такова пълно разцепване, 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.
Храносмилане на стероиди.Хранителните стериди се емулгират под въздействието на същите фактори като мазнините, след което се подлагат на хидролитично разцепване до свободни стероли и висши мастни киселини. Този процес се осъществява чрез действието на ензим. холестеролестераза.
Абсорбция на липиди
В резултат на смилането на мазнини, фосфатиди, стериди в лумена на тънките черва се образува значително количество продукти от тяхното частично и пълно хидролитично разцепване: моно- и диглицериди, висши мастни киселини, стероли, азотни основи, фосфор киселина. Също така съдържа малко количество триглицериди във фино емулгирано състояние. Всички тези продукти се абсорбират от стената на тънките черва.
Продуктите на разцепването като мастни киселини и холестерол, слабо разтворими във вода, образуват водоразтворими комплекси с жлъчни 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 се използват повторно за транспортиране на неразтворими във вода продукти на разграждане на мазнини.
Част от продуктите на разцепването (глицерол, глицерол-фосфорна киселина, азотни основи) са силно разтворими във вода и лесно проникват в епителните клетки. Фосфорна киселинасе абсорбира в епителните клетки на стената на тънките черва под формата на натриеви и калиеви соли. Усвояването на липидите се основава на редица сложни физикохимични и биологични процеси, за осъществяването на които се изразходва 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 този организъм.
За образуването на неутрални мазнини се използват висши мастни киселини, глицерол, моно- и диглицериди. В същото време се осъществява и синтеза на фосфатиди, за които се използват основно глицерол-фосфорна киселина, глицериди и диглицериди, както и моноглицериди в малко количество. Стеридите се образуват от холестерол и висши мастни киселини.
В епителните клетки на чревната стена от синтезирани липиди, както и капки абсорбирани триглицериди, витамини (A, D, E, K) и протеини се образуват комплекси с размери 150-200 nm, т.нар. болезнени микрони.Вътрешното съдържание на хиломикроните, представено от различни видове образувани липиди, главно триглицериди, е заобиколено от външна протеинова обвивка, поради което хиломикроните се разтварят добре във вода. Хиломикроните дифундират първо в междуклетъчната течност, след това в лимфните капиляри и накрая навлизат в кръвния поток, където под действието на хепарин се разпадат на малки частици. С кръвния поток те се разнасят по цялото тяло и се отлагат в резерва в мастните депа – подкожна и околобъбречна тъкан, оментум, мезентериум, мускулна тъкан. Част от кръвните мазнини се използва 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 триглицериди в кръвта.
Наред с хиломикроните има и други форми на транспорт на липиди в кръвта, като α- и β-липопротеини. Техните молекули са сложни комплекси от липиди с 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 липиди принадлежи на кръвните клетки. Еритроцитите, например, участват в преноса на фосфатиди и холестерол, левкоцитите - триглицериди.
Голяма роля в липидния метаболизъм принадлежи на мастните депа. Проучванията показват, че не само специфични видове мазнини, новосинтезирани в тялото, но и чужди мазнини в малки количества, т.е., се отлагат в мастните депа. включени в храната. Експерименти, проведени върху гладуващи кучета, показаха, че след усвояване хранителните мазнини първо влизат в мастните депа, от които преминават в кръвната плазма.
По този начин мастната тъкан не е пасивно депо от мазнини, нейният състав непрекъснато се актуализира поради липидите, абсорбирани от червата или синтезирани в тялото.
