Окислення глюкози до ЗІ 2 та Н 2 Про (аеробний розпад).Аеробний розпад глюкози можна виразити сумарним рівнянням:
З 6 Н 12 О 6 + 6 О 2 > 6 СО 2 + Н 2 О + 2820 кДж/моль.
Цей процес містить кілька стадій (рис. 7-33).
Аеробний гліколіз – процес окислення глюкози з утворенням двох молекул пірувату;
Загальний шлях катаболізму, що включає перетворення пірувату на ацетил-КоА та його подальше окислення в цитратному циклі;
ЦПЕ на кисень, пов'язана з реакціями дегідрування, що відбуваються у процесі розпаду глюкози.
У певних ситуаціях забезпечення киснем тканин може відповідати їх потребам. Наприклад, на початкових стадіях інтенсивної м'язової роботи при стресі серцеві скорочення можуть досягати потрібної частоти, а потреби м'язів у кисні для аеробного розпаду глюкози великі. У подібних випадках включається процес, який протікає без кисню та закінчується утворенням лактату з піровиноградної кислоти. Цей процес називають анаеробним розпадом, або анаеробним гліколізом. Анаеробний розпад глюкози енергетично малоефективний, але цей процес може стати єдиним джерелом енергії для м'язової клітини в описаній ситуації. В даний час, коли постачання м'язів киснем буде достатнім в результаті переходу серця на прискорений ритм, анаеробний розпад переключається на аеробний. Шляхи катаболізму глюкози та їхній енергетичний ефект показані на рис. 7-34.
Б. Аеробний гліколіз
Аеробним гліколізом називають процес окислення глюкози до піровиноградної кислоти, що протікає у присутності кисню. Усі ферменти, що каталізують реакції цього процесу, локалізовані у цитозолі клітини.
1. Етапи аеробного гліколізу
В аеробному гліколізі можна виділити 2 етапи.
Підготовчий етап, під час якого глюкоза фосфорилюється та розщеплюється на дві молекули фосфотріоз. Ця серія реакцій протікає з використанням 2 молекул АТФ.
Етап, пов'язаний із синтезом АТФ. В результаті цієї серії реакцій фосфотріози перетворюються на піруват. Енергія, що вивільняється на цьому етапі, використовується для синтезу 10 моль АТФ.
2. Реакції аеробного гліколізу
Перетворення глюкозо-6-фосфату на 2 молекули гліцеральдегід-3-фосфату
Глюкозо-6-фосфат, утворений в результаті фосфорилювання глюкози за участю АТФ, в ході наступної реакції перетворюється на фруктозо-6-фосфат. Ця оборотна реакція ізомеризації протікає під дією ферменту глюкозофосфатизомерази.
Потім слідує ще одна реакція фосфорилювання з використанням фосфатного залишку та енергії АТФ. У ході цієї реакції, що каталізується фосфофруктокіназою, фруктозо-6-фосфат перетворюється на фруктозо-1,6-бісфосфат. Дана реакція, так само, як гексокіназна, практично незворотня, і, крім того, вона є найповільнішою з усіх реакцій гліколізу. Реакція, що каталізується фосфофруктокіназою, визначає швидкість всього гліколізу, тому, регулюючи активність фосфофруктокінази, можна змінювати швидкість катаболізму глюкози.
Фруктозо-1,6-бісфосфат далі розщеплюється на 2 тріозофосфати: гліцеральдегід-3-фосфат і дигідроксиацетонфосфат. Реакцію каталізує фермент фруктозобісфосфатальдолаза,або просто альдолазу.Цей фермент каталізує як реакцію альдольного розщеплення, і альдольной конденсації, тобто. оборотну реакцію. Продукти реакції альдольного розщеплення – ізомери. У подальших реакціях гліколізу використовується тільки гліцеральдегід-3-фосфат, тому дигідроксиацетонфосфат перетворюється за участю ферменту тріозофосфатизомерази на гліцероальдегід-3-фосфат (рис. 7-35).
В описаній серії реакцій двічі відбувається фосфорилювання з використанням АТФ. Проте витрати двох молекул АТФ (на одну молекулу глюкози) далі буде компенсовано синтезом більшої кількості АТФ.
Перетворення гліцеральдегід-3-фосфату на піруват
Ця частина аеробного гліколізу включає реакції, пов'язані із синтезом АТФ. Найбільш складною в даній серії реакцій є реакція перетворення гліцеральдегід-3-фосфату на 1,3-бісфосфогліцерат. Це перетворення - перша реакція окиснення під час гліколізу. Реакцію каталізує гліцеральдегід-3-фосфатдегідрогеназу,яка є NAD-залежним ферментом. Значення даної реакції полягає не тільки в тому, що утворюється відновлений кофермент, окиснення якого в дихальному ланцюгу пов'язане з синтезом АТФ, але також і в тому, що вільна енергія окиснення концентрується в макроергічному зв'язку продукту реакції. Гліцеральдегід-3-фосфатдегідрогеназа містить в активному центрі залишок цистеїну, сульфгідрильна група якого бере безпосередню участь у каталізі. Окислення гліцеральдегід-3-фосфату призводить до відновлення NAD та утворення за участю Н3РО4 високоенергетичного ангідридного зв'язку в 1,3-бісфосфогліцераті в положенні 1. У наступній реакції високоенергетичний фосфат передається на АДФ з освітою АТФ. Фермент, що каталізує це перетворення, названий по зворотній реакції фосфогліцераткіназою (кінази називаються субстратом, що знаходиться в рівнянні реакції з одного боку з АТФ). Ця серія реакцій показана на рис. 7-36.
Утворення АТФ описаним способом не пов'язане з дихальним ланцюгом, і його називають субстратним фосфорилуванням АДФ. Утворений 3-фосфогліцерат вже не містить макроергічного зв'язку. У наступних реакціях відбуваються внутрішньомолекулярні перебудови, сенс яких зводиться до того, що низькоенергетичний фосфоефір перетворюється на сполуку, що містить високоенергетичний фосфат. Внутрішньомолекулярні перетворення полягають у перенесенні фосфатного залишку з положення 3 у фосфогліцераті в положення 2. Потім від 2-фосфогліцерату, що утворився, відщеплюється молекула води за участю ферменту енолази. Назва дегідратуючого ферменту дано за зворотною реакцією. В результаті реакції утворюється заміщений енол - фосфоенолпіруват. Утворений фосфоенолпіруват - макроергічна сполука, фосфатна група якої переноситься в наступній реакції на АДФ за участю піруваткінази (фермент також названий за зворотною реакцією, в якій відбувається фосфорилювання пірувату, хоча подібна реакція в такому вигляді не має місця).
Перетворення фосфоенолпірувату на піруват - необоротна реакція. Це друга під час гліколізу реакція субстратного фосфорилювання. Утворена енольная форма пірувата потім неферментативно перетворюється на більш термодинамічно стабільну кетофор-му. Описану серію реакцій представлено на рис. 7-37.
Рис. 7-37. Перетворення 3-фосфогліцерату на піруват.
Схема 10 реакцій, що протікають при аеробному гліколізі, та подальше окислення пірувату представлені на рис. 7-33.
Окислення цитоплазматичного NADH у мітохондріал'ному дихальному ланцюгу. човникові системи
NADH, що утворюється при окисленні гліцеральдегід-3-фосфату в аеробному гліколізі, піддається окисленню шляхом перенесення атомів водню в мітохондріальний дихальний ланцюг. Однак цитозольний NADH не здатний передавати водень на дихальний ланцюг, тому що мітохоудріальна мембрана для нього непроникна. Перенесення водню через мембрану відбувається за допомогою спеціальних систем, званих "човниковими". У цих системах водень транспортується через мембрану з участю пар субстратів, пов'язаних відповідними дегідрогеназами, тобто. з обох боків мітохондріальної мембрани знаходиться специфічна дегідрогеназа. Відомі 2 човникові системи. У першій із цих систем водень від NADH у цитозолі передається на дигідроксиацетонфосфат ферментом гліцерол-3-фосфатдегідрогеназою (NAD-залежний фермент, названий за зворотною реакцією). Утворений у ході цієї реакції гліцерол-3-фосфат, окислюється далі ферментом внутрішньої мембрани мітохондрій - гліцерол-3-фосфатдегідрогеназою (FAD-залежним ферментом). Потім протони та електрони з FADH 2 переходять на убихинон і далі ЦПЕ (рис. 7-38).
Гліцеролфосфатна човникова система працює у клітинах білих м'язів та гепатоцитів. Однак у клітинах серцевих м'язів мітохондріальна гліцерол-3-фосфатдегідрогеназа відсутня. Друга човникова система, в якій беруть участь малат, цитозольна та мітохудріальна малат-дегідрогенази, є більш універсальною. У цитоплазмі NADH відновлює оксалоацетат у малат (рис. 7-39, реакція 1), який за участю переносника проходить у мітохондрії, де окислюється в оксалоацетат NAD-залежної маЛатдегідрогенази (реакція 2). Відновлений у ході цієї реакції NAD віддає водень у мітохоудріальну ЦПЕ. Однак утворений з малату оксалоацетат вийти самостійно з мітохондрій у цитозоль не може, оскільки мембрана мітохондрій для нього непроникна. Тому оксалоацетат перетворюється на аспартат, який і транспортується на цитозоль, де знову перетворюється на оксалоацетат. Перетворення оксалоацетату на аспартат і назад пов'язані з приєднанням та відщепленням аміногрупи (реакції трансамінування, див. розділ 9). Ця човникова система називається малат-аспартатною (рис. 7-39). Результат її роботи – регенерація цитоплазматичного NAD+ з NADH.
Обидві човникові системи суттєво відрізняються за кількістю синтезованого АТФ. У першій системі співвідношення Р/О дорівнює 2, оскільки водень вводиться в ЦПЕ лише на рівні KoQ. Друга система енергетично ефективніша, оскільки передає водень в ЦПЭ через мітохондріальний NAD + і співвідношення Р/О близько 3.
4. Баланс АТФ при аеробному гліколізі та розпаді глюкози до СО2 та Н2О
Вихід АТФ при аеробному гліколізі
На утворення фруктозо-1,6-бісфосфату з однієї молекули глюкози потрібно 2 молекули АТФ (реакції 1 та 3 на рис. 7-33). Реакції, що з синтезом АТФ, відбуваються після розпаду глюкози на 2 молекули фосфотріози, тобто. на другому етапі гліколізу. На цьому етапі відбуваються 2 реакції субстратного фосфорилювання та синтезуються 2 молекули АТФ (реакції 7 та 10). Крім того, одна молекула гліцеральдегід-3-фосфату дегідрується (реакція 6), a NADH передає водень в мітохондріальну ЦПЕ, де синтезується 3 молекули АТФ шляхом окисного фосфорилювання. У разі кількість АТФ (3 чи 2) залежить від типу човникової системи. Отже, окислення до пірувату однієї молекули гліцеральдегід-3-фосфату пов'язане із синтезом 5 молекул АТФ. Враховуючи, що з глюкози утворюються 2 молекули фосфотріози, отриману величину потрібно помножити на 2 і відняти 2 молекули АТФ, витрачені на першому етапі. Таким чином, вихід АТФ при аеробному гліколізі становить (5Ч2) – 2 = 8 АТФ.
Вихід АТФ при аеробному розпаді глюкози до кінцевих продуктів
В результаті гліколізу утворюється піруват, який далі окислюється до СО 2 і Н 2 О в ОПК, описаному в розділі 6. Тепер можна оцінити енергетичну ефективність гліколізу та ОПК, які разом становлять процес аеробного розпаду глюкози до кінцевих продуктів (табл. 7-4) .
Таким чином, вихід АТФ при окисненні 1 моль глюкози до СО 2 і Н 2 становить 38 моль АТФ.
У процесі аеробного розпаду глюкози відбуваються 6 реакцій дегідрування. Одна з них протікає у гліколізі та 5 в ОПК (див. розділ 6). Субстрати для специфічних NAD-залежних дегідрогеназ: гліцеральдегід-3-фосфат, жируват, ізоцитрат, б-кетоглутарат, малат. Одна реакція дегідрування у цитратному циклі під дією сукцинатдегідрогенази відбувається за участю коферменту FAD. Загальна кількість АТФ, синтезована шляхом окисного фофорилювання, становить 17 моль АТФ на 1 моль гліцеральдегідфосфату. До цього необхідно додати 3 моль АТФ, синтезованих шляхом субстратного фосфорилювання (дві реакції у гліколізі та одна у цитратному циклі).
Рис. 7-38. Гліцерофосфатна човникова система. 1 - гліцеральдегід-3-фосфатдегідрогеназу; 2 - гліцерол-3-фосфатдегідрогеназа (цитозольний фермент, названий за зворотною реакцією); 3 - гліцерол-3-фосфатдегідрогеназа (мітохондріальний флавіновий фермент).
Таблиця 7-4. Етапи аеробного розпаду глюкози
Враховуючи, що глюкоза розпадається на 2 фос-фотріози і що стехіометричний коефіцієнт подальших перетворень дорівнює 2, отриману величину треба помножити на 2, а від результату відняти 2 моль АТФ, використані на першому етапі гліколізу.
На першому етапі глюкоза розщеплюється на 2 тріози:
Таким чином, на першому етапі гліколізу на активування глюкози витрачається 2 молекули АТФ і утворюється 2 молекули 3-фософогліцеринового альдегіду.
На другій стадії окислюються 2 молекули 3-фосфогліцеринового альдегіду до двох молекул молочної кислоти.
Значення лактатдегідрогеназної реакції (ЛДГ) полягає в тому, щоб у безкисневих умовах окислити НАДН 2 в НАД і зробити можливим перебіг дегідрогеназної реакції 3-фосфогліцеринового альдегіду.
Сумарне рівняння гліколізу:
глюкоза + 2АДФ + 2Н 3 РО 4 → 2лактат + 2АТФ + 2Н 2О
Гліколіз протікає у цитозолі. Його регуляцію здійснюють ключові ферменти. фософофруктокіназа, піруваткиназа. Ці ферменти активуються АДФ та НАД, пригнічуються АТФ та НАДН 2 .
Енергетична ефективність анаеробного гліколізу зводиться до різниці між числом витрачених та утворених молекул АТФ. Витрачається 2 молекули АТФ на молекулу глюкози в гексокіназної реакції та фосфофруктокіназної реакції. Утворюється 2 молекули АТФ на одну молекулу тріози (1/2 глюкози) у гліцерокіназній реакції та піруваткіназній реакції. На молекулу глюкози (2 тріози) утворюється відповідно 4 молекули АТФ. Загальний баланс: 4 АТФ - 2 АТФ = 2 АТФ. 2 молекули АТФ акумулюють у собі ≈ 20 ккал, що становить близько 3% енергії повного окислення глюкози (686 ккал).
Незважаючи на порівняно невисоку енергетичну ефективність анаеробного гліколізу, він має важливе значення. біологічне значення, що полягає в тому, що це єдинийспосіб утворення енергії у безкисневих умовах. В умовах дефіциту кисню він забезпечує виконання інтенсивної м'язової роботи у початковий період фізичного навантаження.
У тканинах плодаанаеробний гліколіз дуже активний за умов дефіциту кисню. Він залишається активним у період новонародженостіпоступово змінюючись на аеробне окиснення.
Подальше перетворення молочної кислоти
- При інтенсивному надходженні кисню в аеробних умовах молочна кислота перетворюється на ПВК і через ацетил КоА входить у цикл Кребса, даючи енергію.
- Молочна кислота транспортується з м'язів до печінки, де використовується на синтез глюкози – цикл Р. Корі.
Цикл Корі
- При великих концентраціях молочної кислоти в тканинах для запобігання закисленню (ацидозу) вона може виділятися через нирки та потові залози.
Аеробне окиснення глюкози
Аеробне окиснення глюкози включає 3 стадії:
1 стадія протікає в цитозолі, полягає в утворенні піровиноградної кислоти:
Глюкоза → 2 ПВК + 2 АТФ + 2 НАДН 2;
2 стадія протікає в мітохондріях:
2 ПВК → 2 ацетил - КоА + 2 НАДН 2;
3 стадія протікає всередині мітохондрій:
2 ацетил - КоА → 2 ЦТК.
В силу того, що 2 молекули НАДН 2 на першому етапі утворюються в цитозолі, а окислюватися вони можуть тільки в мітохондріальному дихальному ланцюгу, необхідний перенесення водню від НАДН 2 цитозоля у внутрішньомітохондріальні ланцюги перенесення електронів. Мітохондрії непроникні для НАДН 2 тому для перенесення водню з цитозолю в мітохондрії існують спеціальні човникові механізми. Їхня суть відображена на схемі, де Х окислена форма переносника водню, а ХН 2 – його відновлена форма:
Залежно від цього, які речовини беруть участь у перенесенні водню через мітохондріальну мембрану, розрізняють кілька човникових механізмів.
Гліцерофосфатний човниковий механізм,у якому відбувається втрата двох молекул АТФ, т.к. замість двох молекул НАДН 2 (потенційно 6 молекул АТФ) утворюється 2 молекули ФАДН 2 (реально 4 молекули АТФ).
Малатний човниковий механізмпрацює на винос водню з мітохондріального матриксу:
Енергетична ефективність аеробного окиснення.
- глюкоза → 2 ПВК + 2 АТФ + 2 НАДН 2 (→8 АТФ).
- 2 ПВК→ 2 ацетил КоА + 2 НАДН 2 (→6 АТФ).
- 2 ацетил КоА → 2 ЦТК (12 * 2 = 24 АТФ).
Разом можливе утворення 38 молекул АТФ, з яких необхідно відняти 2 молекули АТФ, що втрачаються в гліцерофосфатному човниковому механізмі. Таким чином, утворюється 36 АТФ.
36 АТФ (близько 360 ккал) становлять від 686 ккал. 50-60% - це енергетична ефективність аеробного окиснення глюкози, що у двадцять разів вище, ніж ефективність анаеробного окиснення глюкози. Тому в тканинах на час вступу кисню анаеробний шлях блокується, і це явище називається ефектом Пастера. У новонародженихаеробний шлях починає активуватися у перші 2-3 місяці життя.
6.5. 2. Біосинтез глюкози (глюконеогенез)
Глюконеогенез - це шлях синтезу глюкози в організмі з невуглеводних речовин, який здатний довго підтримувати рівень глюкози за відсутності вуглеводів у харчовому раціоні. Вихідними речовинами йому є молочна кислота, ПВК, амінокислоти, гліцерин. Найбільш активно глюконеогенез протікає у печінці та нирках. Цей процес внутрішньоклітинно локалізовано частково в цитозолі, частково в мітохондріях. У цілому нині глюконеогенез є процесом зворотним гліколізу.
У гліколізі є три незворотні стадії, що каталізуються ферментами:
· Піруваткиназа;
· Фосфофруктокіназа;
· Гексокіназа.
Тому в глюконеогенеззамість цих ферментів є специфічні ферменти, що здійснюють «обхід» цих незворотних стадій:
- піруваткарбоксилаза та карбоксикіназа («обходять» піруваткіназу);
- фруктозо-6-фосфатаза («обходить» фосфофруктокіназу);
- глюкозо-6-фосфатаза («обходить» гексокіназу).
Глюкозо-6-фосфат під дією глюкозо-6-фосфатази переходить у глюкозу, яка виходить із гепатоцитів у кров.
Ключовими ферментами для глюконеогенезу є піруваткарбоксилазаі фруктозо-1,6-дифосфатаза. Активатором для них є АТФ (на синтез однієї молекули глюкози необхідно 6 молекул АТФ).
Таким чином, висока концентрація АТФ у клітинах активує глюконеогенез, що вимагає витрати енергії та водночас інгібує гліколіз (на стадії фосфофруктокінази), що веде до утворення АТФ. Це ілюструє наведений нижче графік.
Вітамін Н
У глюконеогенезі бере участь вітамін Н (біотин, антисеборейний вітамін), який по хімічної природиявляє собою сірковмісний гетероцикл із залишками валеріанової кислоти. Він широко поширений у тварин та рослинних продуктах (печінка, жовток). Добова потреба у ньому становить 0,2 мг. Авітаміноз проявляється дерматитом, ураженням нігтів, збільшенням чи зменшенням утворення шкірного жиру (себорея). Біологічна рольвітамін Н:
- бере участь у реакціях карбоксилювання;
- бере участь у реакціях транскарбоксилювання;
- бере участь в обміні пуринових основ, деяких амінокислот.
Глюконеогенез активний в останні місяці внутрішньоутробногорозвитку. Після народження дитини активність процесу зростає починаючи з третього місяця життя.
Розпад вуглеводів в аеробних умовах може йти прямим (апотомічним або пентозним) шляхом та непрямим (дихотомічним) шляхом.
Дихотомічне (грец. dicha - на дві частини, tome-перетин) окислення вуглеводів йде за рівнянням:
C6H12O6+6O2 = 6 СО2+б Н2О+686 ккал
Цей шлях є основним у освіті енергії. Перші етапи цього шляху збігаються з анаеробним окисненням глюкози. Розбіжність шляхів починається на стадії утворення піро-виноградної кислоти, яка в тваринних тканинах декарбоксилується окислювальним шляхом. Гліколіз – це послідовність ферментативних реакцій, що призводять до перетворення глюкози на піруват з одночасним утворенням АТФ. За аеробних умов піруват проникає в мітохондрії, де повністю окислюється до СО2 та Н2О. Якщо вміст кисню недостатньо, як це може мати місце в м'язі, що активно скорочується, піруват перетворюється в лактат. Анаеробний гліколіз - складний ферментативний процес розпаду глюкози, що протікає в тканинах людини та тварин без споживання кисню. Кінцевим продуктом гліколізу є молочна кислота. У процесі гліколізу утворюється АТФ. Сумарне рівняння гліколізу можна представити так:
В анаеробних умовах гліколіз – єдиний процес у тваринному організмі, що постачає енергію. Саме завдяки гліколізу організм людини та тварин певний період може здійснювати низку фізіологічних функцій в умовах недостатності кисню. У тих випадках, коли гліколіз протікає в присутності кисню, говорять про аеробний гліколіз. Першою ферментативною реакцією гліколізу є фосфорилування, тобто. перенесення залишку ортофосфату на глюкозу з допомогою АТФ. Реакція каталізується ферментом гексокіназою:
Другою реакцією гліколізу є перетворення глюкозо-6-фос-фату під дією ферменту глюкозо-6-фосфат-ізомерази на фруктозо-6-фосфат:
Третя реакція каталізується ферментом фосфофруктокіназою; фруктозо-6-фосфат, що утворився, знову фосфорилюється за рахунок другої молекули АТФ:
Четверту реакцію гліколізу каталізує фермент альдолазу. Під впливом цього ферменту фруктозо-1,6-бісфосфат розщеплюється на дві фосфотріози:
П'ята реакція – це реакція ізомеризації тріозофосфатів. Каталізується ферментом тріозофосфатизомеразою:
Утворенням гліцеральдегід-3-фосфату як би завершується перша стадія гліколізу. Друга стадія – найбільш складна та важлива. Вона включає окислювально-відновну реакцію (реакція гліколітичної оксидоредукції), пов'язану з субстратним фосфорилуванням, у процесі якого утворюється АТФ. Внаслідок шостої реакції гліцеральдегід-3-фосфат у присутності ферменту гліцераль-дегідфосфатдегідрогенази, коферменту НАД та неорганічного фосфату піддається своєрідному окисленню з утворенням 1,3-бісфосфогліцеринової кислоти та відновленої форми НАД (НАДН). Ця реакція блокується йод-або бромацетатом, що протікає в кілька етапів:
Сьома реакція каталізується фосфогліцераткіназою, при цьому відбувається передача багатого енергією фосфатного залишку (фосфатної групи в положенні 1) на АДФ з утворенням АТФ та 3-фосфогліцеринової кислоти (3-фосфогліцерат):
Восьма реакція супроводжується внутрішньомолекулярним перенесенням фосфатної групи, що залишилася, і 3-фосфог-ліцеринова кислота перетворюється на 2-фосфогліцеринову кислоту (2-фосфогліцерат).
Дев'ята реакція каталізується ферментом єнолазою, при цьому 2-фосфогліцеринова кислота в результаті відщеплення молекули води переходить у фосфоенолпіровіноградну кислоту (фосфоенолпіруват), а фосфатний зв'язок у положенні 2 стає високоергічним:
Десята реакція характеризується розривом високоергічного зв'язку та перенесенням фосфатного залишку від фосфоенолпірувату на АДФ (субстратне фосфорилювання). Каталізується фер-ментом піруваткиназою:
В результаті одинадцятої реакції відбувається відновлення піровиноградної кислоти та утворюється молочна кислота. Реакція протікає за участю ферменту лактатдегідрогенази та коферменту НАДН, що утворився у шостій реакції:
Біологічне значення процесу гліколізу полягає перш за все в утворенні багатих на енергію фосфорних сполук. На перших стадіях гліколізу витрачаються 2 молекули АТФ (гексокіназна та фосфофрук-токіназна реакції). На наступних утворюються 4 молекули АТФ (фосфог-ліцераткіназна і піруваткиназна реакції). Таким чином, енергетична ефективність гліколізу в анаеробних умовах становить 2 молекули АТФ одну молекулу глюкози.
-
Аеробне окиснення вуглеводів. Розпад вуглеводівв аеробнихумовах може йти прямим (апотомічним або пентозним) шляхом та непрямим (дихотомічним) шляхом. -
Аеробне окиснення вуглеводів. Розпад вуглеводівв аеробнихумовах може йти прямим (апотомічним або пентозним) шляхом та. -
Гліколіз-найпростіша форма біол. механізму акумулювання енергії вуглеводіву АТФ.
При енергетично більш вигідному аеробному окисненняз однієї молекули глюкози. -
Окиснефосфорилювання було б правильніше назвати фосфорилуванням дихального ланцюга.
Аеробне окиснення вуглеводів. -
- ФДА може вступити до реакції гліконеогенезу з утворенням вуглеводів- глюкози чи глікогену.
Активація РК відбувається у цитоплазмі, а b- окиснення- У мітохондріях. -
У процесі дихання вуглеводи, жири та білки піддаються багатоступінчастому окиснення, яке призводить до відновлення основних постачальників ВЕ для дихальних флавінів. -
Гліконеогенез – освіта вуглеводів(глюкози або глікогену) з речовин невуглеводного походження.
Окислювальнийетап: 2 реакції окисненнягексозофосфату без кисню. -
Головний вуглеводмолока - лактоза - присутній у молоці всіх видів ссавців.
Окисленняпірувата до ацетил-КоА відбувається за участю ряду ферментів та коферментів. -
При згорянні 1 г вуглеводівутворюється 4 ккал. Це менше, ніж у жирів (9 ккал).
р. Вуглеводияк джерело енергії мають здатність окислюватисяв організмі як аеробним, так і... -
В основі сучасних уявленьпро розпад жирних кислот у тканинах лежить теорія - окиснення
ГБФ-шлях розпаду вуглеводівзабезпечує синтез енергією.
Знайдено схожих сторінок:10
Аеробне окиснення вуглеводів – основний шлях утворення енергії для організму. Непрямий – дихотомічний та прямий – апотомічний.
Прямий шлях розпаду глюкози пентозний цикл- призводить до утворення пентоз та накопичення НАДФН 2 . Пентозний цикл характеризується послідовним відщепленням від молекул глюкози кожного з її 6 атомів вуглецю з утворенням протягом одного циклу по 1 молекулі вуглекислого газу та води. Розпад всієї молекули глюкози відбувається протягом 6 циклів, що повторюються.
Значення пентозофосфатного циклу окиснення вуглеводів в обміні речовин велике:
1. Він поставляє відновлений НАДФ, необхідний біосинтезу жирних кислот, холестерину тощо. За рахунок пентозного циклу на 50% покривається потреба організму НАДФН 2 .
2. Постачання пентозофосфатів для синтезу нуклеїнових кислотта багатьох коферментів.
Реакції пентозного циклу протікають у цитоплазмі клітини.
При низці патологічних станів питома вага пентозного шляху окиснення глюкози зростає.
Непрямий шлях- розпад глюкози до вуглекислого газу та води з утворенням 36 молекул АТФ.
1. Розпад глюкози або глікогену до піровиноградної кислоти
2. Перетворення піровиноградної кислоти на ацетил-КоА
Окислення ацетил-КоА в циклі Кребса до вуглекислого газу та води
З 6 Н 12 О 6 + 6 О 2 6 СО 2 + 6 Н 2 О + 686 ккал
У разі аеробного перетворення піровиноградна кислота піддається окисному декарбоксилюванню з утворенням ацетил-КоА, який потім окислюється до вуглекислого газу та води.
Окислення пірувату до ацетил-КоА, що каталізується піруватдегідрогеназною системою і протікає в кілька стадій. Сумарна реакція:
Піруват + НАДН + НS-КоА ацетил-КоА+ НАДН 2 + СО 2 реакція практично необоротна
Повне окислення ацетил-КоА відбувається у циклі трикарбонових кислот або циклі Кребса. Цей процес протікає у мітохондріях.
Цикл складається з 8 послідовних реакцій:
У цьому циклі молекула, що містить 2 атоми вуглецю (оцтова кислота у формі ацетил-КоА) реагує з молекулою щавлевооцтової кислоти, в результаті чого утворюється з'єднання з 6 атомами вуглецю - лимонна кислота. У процесі дегідрування, декарбоксилювання та підготовчої реакції лимонна кислота знову перетворюється на щавлевооцтову кислоту, яка легко з'єднується з іншою молекулою ацетил-КоА.
1) ацетил-КоА + оксалоацетат (ЩУК) лимонна кислота
цитратсинтаза
2) лимонна кислота ізолімонна кислота
аконітатгідратаза
3)ізолімонна к-та+НАД-кетоглутарова к-та+НАДН 2 + СО 2
ізоцитратдегідрогеназу
4)-кетоглутарова к-та+НS-КоА+НАДсукцинілSКоА+НАДН 2 + СО 2
5) сукциніл-КоА+ГДФ+Фнянтарна кислота+ГТФ+НS-КоА
сукциніл КоА синтетаза
6) янтарна кислота+ФАДфумарова кислота+ФАДН 2
сукцинатдегідрогеназу
7) фумарова кислота+ Н 2 О L яблучна кислота
фумаратгідратаза
8) малат + НАДоксалоацетат + НАДН 2
малатдегідрогеназу
Разом при розщепленні у тканинах молекули глюкози синтезується 36 молекул АТФ. Безперечно, це в енергетичному відношенні ефективніший процес, ніж гліколіз.
Цикл Кребса – загальний кінцевий шлях, яким завершується обмін вуглеводів, жирних кислот та амінокислот. Всі ці речовини включаються в цикл Кребса на тому чи іншому етапі. Далі відбувається біологічне окиснення або тканинне дихання, головною особливістюякого є те, що воно протікає поступово через численні ферментативні стадії. Цей процес відбувається у мітохондріях, клітинних органелах, у яких зосереджено велику кількість ферментів. У процесі беруть участь піридинзалежні дегідрогенази, флавінзалежні дегідрогенази, цитохроми, коензим Q - убіхінон, білки, що містять негемінове залізо.
Інтенсивність дихання керується співвідношенням АТФ/АДФ. Чим менше це відношення, тим інтенсивніше йде дихання, забезпечуючи вироблення АТФ.
Також цикл лимонної кислоти є в клітині головним джерелом двоокису вуглецю для реакцій карбоксилювання, з яких починається синтез жирних кислот та глюконеогенез. Той же двоокис вуглецю постачає вуглець для сечовини та деяких ланок пуринових та піримідинових кілець.
Взаємозв'язок між процесами вуглеводного та азотистого обміну також досягаються за допомогою проміжних продуктів циклу лимонної кислоти.
Існує кілька шляхів, якими проміжні продукти циклу лимонної кислоти включаються в процес ліпогенезу. Розщеплення цитрату призводить до утворення ацетил-КоА, що грає попередника в біосинтезі жирних кислот.
Ізоцитрат і малат забезпечують утворення НАДФ, який витрачається на наступних відновлювальних етапах синтезу жирів.
Роль ключового фактора, Що визначає перетворення НАДН грає стан аденінуклеотидів. Високий вміст АДФ та низький АТФ свідчить про малий запас енергії. При цьому НАДН залучається до реакції дихального ланцюга, посилюючи пов'язані з запасанням енергії процеси окисного фосфорилювання. Зворотне явище спостерігається при низькому вмісті АДФ та високому АТФ. Обмежуючи роботу системи перенесення електронів, вони сприяють використанню НАДН в інших відновлювальних реакціях, таких як синтез глутамату та глюконеогенез.
Дихання.Аеробне окиснення вуглеводів відбувається у присутності кисню повітря, у зв'язку з чим його часто називають диханням.
На відміну від гліколізу (глікогенолізу), де кінцевим акцептором атомів водню та електронів служить провиноградна кислота, при диханні роль такого акцептора виконує кисень. У першому випадку як кінцевий продукт утворюється молочна кислота, в якій сумарна ступінь окислення вуглецю залишилася такою ж, як і у глюкози, у другому випадку утворюється вуглекислий газ - значно простіша сполука, у якої єдиний атом вуглецю повністю окислений. Водночас дихання та гліколіз мають багато загальних ланок.
Дихання, так само як і гліколіз, супроводжується утворенням фосфорних ефірів глюкози та фруктози, фосфотріоз-діоксиацетонфосфату та гліцеральдегід-3-фосфату, а також таких проміжних продуктів, як 1,3-дифосфогліцеринова кислота, 3-фосфогліцено. Багато реакцій гліколізу і дихання каталізуються одними і тими самими ферментами. Іншими словами, при диханні перетворення глюкози до молочної кислоти проходить усі ті етапи, що і при гліколізі. Однак при цьому атоми водню, відщеплені від гліцеральдегід-3-фосфату, не відновлюють піровиноградну кислоту, а передаються на кисень, пройшовши через складну систему ферментів дихального ланцюга.
Молочна кислота, що утворюється в процесі гліколізу, як уже говорилося, містить ще значний запас (приблизно 93%) потенційної енергії. Однак незважаючи на це, перші живі організми, що видобували енергію в анаеробних умовах, виділяли її в навколишнє середовище.
З появою в атмосфері Землі кисню живі організми виробили нові, більш досконалі механізми окислення, в результаті яких кількість енергії, що вивільняється, виявилося набагато більшою, ніж при гліколізі, оскільки кінцевим продуктом дихання є СО 2 , атом вуглецю якого повністю окислений. Поряд із цим природа створила нові механізми доокислення кінцевого продукту гліколізу, який виводився у навколишнє середовище. Іншими словами, вона як би створила надбудову над гліколізом для окислення його кінцевого продукту в аеробних умовах, зберігши колишніми його етапи.
При диханні не утворюється молочна кислота. Тому піровиноградна кислота є тим загальним субстратом, або центральною ланкою, де закінчується гліколіз і починається дихання (або ж розходяться шляхи гліколізу та дихання – анаеробного та аеробного окиснення глюкози).
Зберігши колишні етапи гліколізу, клітини організму людини та вищих тварин зберегли здатність окислювати глюкозу в анаеробних умовах, внаслідок чого при нестачі кисню вони мають можливість отримувати енергію таким шляхом. Однак при цьому молочна кислота, що утворилася в анаеробних умовах, має досить великий запас енергії, не викидається в навколишнє середовище, а накопичується і м'язах. З м'язів вона струмом крові доставляється в печінку, де знову перетворюється на глюкозу. При надходженні до клітини достатньої кількості кисню частина молочної кислоти окислюється далі до СО 2 і Н 2 О.
Перетворення молочної кислоти. Молочна кислота, що утворилася при анаеробному окисненні глюкози, окислюється до СО 2 і Н 2 Про наступним чином. Спочатку під дією ферменту лактатдегідрогенази,коферментом якої є НАД, вона окислюється до піровиноградної кислоти:
яка потім під впливом піруватдекарбоксилази,являє собою складний поліферментний комплекс, що піддається окисному декарбоксилюванню з утворенням активної форми оцтової кислоти - ацетил-КоА:
де ТПФ – тіамінпірофосфат; ЛК – ліпоєва кислота; HSKoA – коензим А.
У тому випадку, коли тканини добре постачаються киснем, піровиноградна кислота піддається окисному декарбоксилюванню відразу, не відновлюючись до молочної кислоти. Відновлений кофермент НАД Н + Н + , що утворився при окисленні гліцеральдегід-3-фосфату, передає водень через ферменти аеробного обміну (тобто дихальний ланцюг) на кисень, утворюючи воду.
Перетворення піровиноградної кислоти на ацетил-КоА є підготовчою, або перехідною, стадією, завдяки якій вуглеводи через піровиноградну кислоту, а потім через ацетил-КоА включаються в новий етап - кисневе окиснення. Іншими словами, цей процес - сполучна ланка між гліколізом та власне диханням. Проте вже внаслідок окисного декарбоксилювання піровиноградної кислоти до ацетил-КоА вивільняється близько 9% усієї енергії окиснення глюкози, тобто. більше, ніж за гліколізу загалом, де вивільняється лише 5-7 % енергії. Якщо врахувати 5-7 % енергії гліколізу та 9% енергії окисного декарбоксилювання піровиноградної кислоти, то всього виділяється 14-16% енергії, акумульованої у вуглеводах. Отже, решта 84-86 % енергії зберігається ще молекулі оцтової кислоти.
Цикл трикарбонових кислот (цикл Кребса) є новий, досконаліший механізм окислення вуглеводів, вироблений у живих організмів з появою Землі кисню. За допомогою цього механізму відбувається подальше перетворення оцтової кислоти у формі ацетил-КоА до СО 2 і Н 2 Про в аеробних умовах із вивільненням енергії.
У зв'язку з тим, що першими субстратами в процесі окислення оцтової кислоти є трикарбонові кислоти, а гіпотезу про механізм цього окислення висунув X. А. Кребс, процес назвали циклом трикарбонових кислот, або циклом Кребса.
Першою реакцією циклу є реакція конденсації ацетил-КоА зі щавлевооцтової кислотою, яку каталізує фермент цитратсинтаза.В результаті утворюється активна форма лимонної кислоти – цитрил-KoA:
Гідролізуючись, цитрил-КоА перетворюється на лимонну кислоту:
Остання під дією ферменту аконітатгідратазаперетворюється на цис-аконітову кислоту, яка, приєднуючи воду, перетворюється на ізолімонну кислоту:
Ізолімонна кислота далі окислюється шляхом відщеплення двох атомів водню, перетворюючись на щавлевеянтарну. Цією реакцією починається відщеплення 2 і перше окиснення ацетил-КоА в трикарбоновому циклі. Щавелево-бурштинова кислота, декарбоксилюючись, перетворюється на α-кетоглутарову кислоту. Дегідрування ізолімонної та декарбоксилювання щавлево-бурштинової кислот каталізується ферментом ізоцитратдегідрогеназоюза участю коферменту НАД+:
Наступним етапом циклу трикарбонових кислот є реакція окисного декарбоксилювання α-кетоглутарової кислоти, у результаті якої утворюється янтарна кислота. Цей процес протікає у дві стадії. Спочатку α-кетоглутаровая кислота піддається окисного декарбоксилювання з утворенням активної форми бурштинової кислоти - сукциніл-КоА - та СО 2 . Ця реакція нагадує реакцію перетворення піровиноградної кислоти до ацетил-КоА та каталізується також складним поліферментним комплексом - α -кетоглутаратдегідрогенази.В результаті цієї реакції відбувається друге відщеплення вуглекислого газу та дегідрування оцтової кислоти, що вступила в цикл:
Активна форма бурштинової кислоти сукциніл-КоА, що утворилася, на відміну від ацетил-КоА, є макроергічною тіо-ефірною сполукою, в якій акумульована енергія окислення α-кетоглутарової кислоти.
На наступній стадії ця енергія використовується для утворення ГТФ (гуанозинтрифосфорної кислоти) із ГДФ та неорганічної фосфорної кислоти та запасається у фосфатних зв'язках цієї сполуки. Реакція каталізується ферментом сукцинілтіокіназою:
ГТФ, що утворився в результаті цієї реакції, взаємодіє з АДФ, в результаті чого утворюється АТФ:
ГТФ+АДФ ГДФ+АТФ.
Синтез АТФ, пов'язаний із окисненням субстрату, є ще одним прикладом субстратного фосфорилування.
Надалі ході циклу трикарбонових кислот відбувається ще два дегідрування. Бурштинова кислота під дією сукцинатде-гідрогеназиза участю коферменту ФАД + відщеплює два атоми водню і перетворюється на фумарову кислоту, а ФАД + відновлюється до ФАД Н 2 . Потім фумарова кислота, приєднуючи молекулу води, утворює яблучну кислоту (малат), яка за допомогою малат-дегідрогеназиі коферменту НАД + знову піддається дегідрування. У цьому утворюється щавлево-оцтова кислота, тобто. субстрат, з якого розпочався цикл трикарбонових кислот:
Регенерована щавлево-оцтова кислота може знову вступати в реакцію з новою молекулою ацетил-КоА і процес почнеться в тому ж порядку.
Загальну схемуциклу трикарбонових кислот можна представити так:
Цикл трикарбонових кислот
(В рамках показані кінцеві продукти окиснення ацетил-КоА).
З наведеної схеми випливає, що основна функція циклу Кребса полягає у дегідруванні оцтової кислоти. Якщо підвести баланс ферментативного дегідрування одного циклу, можна легко підрахувати, що в результаті реакцій утворюється вісім атомів водню: шість атомів використовується для відновлення НАД+ та два – для відновлення ФАД+сукцинатгідрогенази.
Сумарна реакція цього циклу описується наступним рівнянням:
СН 3 СООН + 2Н 2 → 2СО 2 + 8Н,
з якого випливає, що чотири атоми водню належать воді. Отже, решта чотирьох утворилися при дегідруванні оцтової кислоти, тобто. це весь водень, який був у її молекули. Одночасно з цим у вигляді оксиду вуглецю (IV) двічі виділилося два атоми вуглецю (один раз при декарбоксилюванні щавлево-бурштинової кислоти, другий - при декарбоксилюванні -кетоглутарової кислоти), тобто. рівно стільки, скільки їх надійшло до циклу у вигляді ацетальної групи.
З наведеного вище рівняння також слід, що цикл не залучаються ні кисень, ні АТФ, ні неорганічна фосфорна кислота. Всі ці метаболіти взаємодіють у дихальному ланцюгу, куди залучаються неорганічна фосфорна кислота, відщеплені при дегідруванні атоми водню та кисень, а в результаті окисного фосфорилювання утворюється АТФ. Енергія для цього процесу виділяється в результаті окисно-відновних реакцій при передачі атомів водню та електронів від відновлених форм НАД Н 2 та ФАД Н 2 на кисень.
Процес окисного фосфорилювання докладно викладено в гол. 22. Нагадаємо тільки, що на кожну пару електронів (пара атомів водню) у дихальному ланцюгу шляхом окисного фосфорилювання утворюється три молекули АТФ (одна при перенесенні атомів водню від НАД Н + Н + до ФАД, друга – при переносі пари електронів від цитохрому) bдо цитохрому зі третя – від цитохрому а 3до атома кисню). Таким чином, кожна окисна стадія перетворення глюкози до СО 2 і Н 2 Про, пов'язана з НАД, супроводжується утворенням трьох молекул АТФ, пов'язана з ФАД - утворенням двох молекул АТФ.
Енергетичний баланс окиснення вуглеводів.Спочатку підіб'ємо підсумок енергетичного балансу за рахунок дегідрування оцтової кислоти в циклі Кребса. Як ми вже встановили, у цьому циклі відбувається чотири дегідрування, в результаті яких утворилися три відновлені форми НАД, одна-ФАД та шляхом субстратного фосфорилювання синтезувалася одна молекула АТФ:
Таким чином, у циклі Кребса синтезується у шість разів більше АТФ, ніж при гліколізі. Якщо врахувати ще дві відновлені молекули НАД, що утворилися при окисненні молочної та піровиноград-ної кислот, це складе ще 6 молекул АТФ, а в сумі- 18. Оскільки глюкоза розпадається на дві фосфотріози, кількість АТФ збільшується в 2 рази і складе 36 молекул.
Додавши до цього 2 молекули АТФ, що утворилися в процесі гліколізу, отримаємо загальний баланс енергії, акумульованої в макро-ергічних зв'язках АТФ при окисленні глюкози до СО 2 і Н 2 О: 36 + 2 = 38.
Встановлено, що повне окиснення 1 моль глюкози до СО 2 та Н 2 Про супроводжується виділенням 2872 кДж. У 38 молекул АТФ акумулюється 1270-1560 кДж, тобто. приблизно 50 % усієї енергії, що вивільнилася в процесі окислення. Отже, решта 50 % енергії розсіюються в організмі у вигляді теплоти підтримки відповідної температури.
З розглянутих фаз окиснення глюкози винятково важливе значення має аеробна фаза. Якщо за анаеробному окисленні, тобто. при утворенні молочної кислоти виділяється всього 197 кДж енергії, з яких 40 % акумулюється в макроергічних зв'язках двох молекул АТФ, то в аеробній фазі виділяється 2872 – 197 = = 2675 кДж, що становить близько 93 % усієї енергії. Таким чином, основну масу енергії організм отримує при диханні.
Апотомічний шляхокиснення глюкози. Поряд із циклом Кребса у багатьох клітинах існує й інший шлях розщеплення глюкози, званий апотомічним,або пентозофосфатним.Експериментально встановлено, що в аеробних умовах в еритроцитах, печінці, нирках глюкоза може окислюватися до 6-монофосфоглюконової кислоти, причому фруктозо-1,6-дифосфат у цьому процесі не утворюється. Внаслідок такого окислення глюкози утворюється значна кількість пентоз. Цей шлях був відкритий радянським біохіміком В. А. Енгельгардтом, а окремі його етапи вивчені О. Варбургом, Ф. Діккенсом, І. Д. Головацьким та ін. Пентозофосфатний шлях не є головним шляхом окиснення глюкози. Основне його призначення полягає в тому, щоб постачати клітини відновленими формами НАДФ, необхідними для біосинтезу жирних кислот, холестерину, пуринових та піримідинових основ, стероїдів та ін. Друга функція цього шляху полягає в тому, що він постачає пентози, головним чином D-рибозу, для синтезу нуклеїнових кислот
Пентозофосфатний шлях розщеплення глюкози можна виразити наступним рівнянням:
Глюкозо-6-монофосфат + 2 НАДФ + → Рибозо-5-монофосфат + СО 2 + 2 НАДФ · Н + Н + + 2Н +.
Пентози, не використані для біосинтезу нуклеїнових кислот та нуклеотидів, витрачаються на біосинтез інших сполук та регенерацію глюкози.
Біосинтез вуглеводів
Існує два основних способи біосинтезу вуглеводів із відносно нескладних метаболітів. Один із них полягає у відновленні вуглекислого газу до глюкози. Цей процес, характерний для зелених рослин та званий фотосинтезом,здійснюється за рахунок енергії сонячних променів за допомогою хлорофілу відповідно до наступного рівняння:
СО 2 + 2Н 2 О 1/6С 6 Н 12 О 6 + О 2 + Н 2 О.
Уловлюючи сонячні промені і перетворюючи їх енергію на енергію вуглеводів, зелені рослини забезпечують збереження та розвитку життя Землі. У цьому полягає, за словами К. А. Тимирязєва, космічна роль зелених рослин як посередника між сонцем і живим Землі.
Останнім часом роботами групи вчених Інституту біохімії ім. А. В. Палладіна АН УРСР під керівництвом академіка М. Ф. Гулого показано, що тканини вищих тварин також здатні фіксувати вуглекислий газ, хоча механізм фіксації його відрізняється від такого у фотосинтезуючих клітин. Він полягає у нарощуванні вуглецевого скелета оксидом вуглецю (IV) таких субстратів, як кетокислоти, жирні кислоти, амінокислоти та ін.
У печінці, нирках та скелетних м'язах людини та вищих тварин існує інший шлях біосинтезу вуглеводів, званий глюконеогенез.Це синтез глюкози з піровиноградної або молочної кислоти, а також так званих глікогенних амінокислот, жирів та інших попередників, які в процесі метаболізму можуть перетворюватися на піровиноградну кислоту або метаболіти циклу трикарбонових кислот.
Глюконеогенез-це шлях, зворотний гліколізу. Однак у цьому шляху є три стадії, які в енергетичному відношенні не можуть бути використані при перетворенні піровиноградної кислоти на глюкозу. Ці три стадії гліколізу замінені на «обхідні» реакції з меншою витратою енергії.
Першою обхідною реакцією є перетворення піровиноградної кислоти на фосфоенолпіровиноградну. Оскільки розщеплення глюкози відбувається в мітохондріях, а синтез - в цитоплазмі, на першому етапі мітохондріальна піровиноградна кислота перетворюється спочатку на щавлево-оцтову. Каталізує це перетворення фермент піруваткарбоксилаза,активована ацетил-КоА за участю АТФ. Щавельно-оцтова кислота, що утворилася, відновлюється потім за участю НАД Н + Н + в яблучну:
Пировиноградна кислота + СО 2 Щавеліво-оцтова кислота 
Яблучна кислота.
Яблучна кислота дифундує в цитоплазму, окислюється цитоплазматичною малатдегідрогеназою з утворенням цитоплазматичної щавлево-оцтової кислоти, з якої утворюється фосфоенолпіровіноградна кислота. Цю реакцію каталізує фосфоенолпіруваткарбоксикіназа.Донором фосфорної кислоти служить ГТФ:
Яблучна кислота 
Щавеліво-оцтова кислота Фосфоенолпіровіноградна кислота.
Далі слідує ціла серія зворотних реакцій, що закінчуються утворенням фруктозо-1,6-дифосфату. Перетворення фруктозо-1,6-дифосфату на фруктозо-6-фосфат-друга необоротна реакція гліколізу. Тому вона каталізується не фосфофруктокіназою, а фруктозодифосфатазою.Цей фермент каталізує незворотний гідроліз 1-фосфатної групи:
Фруктозо-1, 6-дифосфат + Н 2 О → Фруктозо-6-фосфат + Н 3 РВ 4 .
На наступній (оборотній) стадії біосинтезу глюкози фруктозо-6-фосфат перетворюється на глюкозо-6-фосфат під дією фосфоглюко-ізомеразигліколізу.
Розщеплення глюкозо-6-фосфату до глюкози – третя необоротна реакція, яка не здійснюється шляхом обігу гексокіназою. Вільна глюкоза утворюється за допомогою глюкозо-6-фосфатази,каталізує реакцію гідролізу:
Глюкозо-6-фосфат +Н2О → Глюкоза+H3PO4.
У більшості клітин глюкозо-6-фосфат, що утворюється в процесі глікогенолізу, використовується як попередник для біосинтезу оліго- та полісахаридів. Велику роль у біосинтезі цих складних цукрів відіграє поєднання урідінфосфоглюкоза,яка виконує роль проміжного переносника глюкози.
При біосинтезі глікогену, наприклад, глюкозо-6-фосфат, перетворившись на глюкозо-1-фосфат під дією фосфоглюкомутази, взаємодіє з уридинтрифосфорною кислотою (УТФ) - з'єднанням, аналогічним АТФ, яке замість аденіну входить азотисте основа ура. В результаті цієї взаємодії за допомогою глюкозо-I-фосфатуридилтрансферазиутворюється уридилдифосфоглюкоза:
Глюкозо-1-фосфат + УТФ УДФ-глюкоза+Фн.
На заключному етапі біосинтезу глікогену в реакції, що каталізується глікогенсинтетазою,залишок глюкози з УДФ-глюкози переноситься на кінцевий залишок глюкози амілазного ланцюга з утворенням 1,4 глікозидного зв'язку (див. гл. 16). Розгалуження глікогену шляхом утворення 1,6-зв'язків завершується аміло-1,4-1,6-трансглюкозидази.
Біосинтез глікогену здійснюється не лише з глюкозо-6-фосфату, що утворився шляхом глюконеогенезу. Як зазначалося вище, його біосинтезу використовується також частина глюкози після всмоктування. Синтез глікогену як процес утворення рухомого резерву вуглеводів в організмі має велике біологічне значення. Провідна роль цьому належить печінці. Завдяки синтезу та відкладенню глікогену в печінці підтримується постійна концентрація глюкози в крові та інших тканинах, а також запобігають втратам її з сечею при вживанні їжі, особливо вуглеводної. Крім того, відкладення глікогену у печінці сприяє поступовому використанню вуглеводів залежно від умов існування організму.
Використання глюкози для синтезу глікогену передує утворенню глюкозофосфорних ефірів. Спочатку утворюється глюко-зо-6-монофосфат. Джерелом енергії та донатором фосфату є АТФ. Каталізує цю реакцію гексокіназу. Під дією ферменту фосфоглюкомутази глюкозо-6-монофосфат перетворюється на глюкозо-1-монофосфат:
Подальше перетворення глюкозо-1-монофосфату до глікогену протікають знайомим нам шляхом.
Глава 24. ОБМІН ЛІПІДІВ
Ліпіди є великою групою органічних сполук. Всі вони різняться за своїм хімічним складомі структурі, але мають одну загальну їм властивістю - нерозчинність у воді. У зв'язку з тим що ферменти, що діють на ці органічні сполуки, водорозчинні, розщеплення та всмоктування ліпідів у харчовому каналі характеризуються деякими особливостями. Наявність ліпідів різної структури обумовлює різні шляхи їх розщеплення і синтезу.
Зупинимося на обміні жирів, фосфатидів та стеридів, що мають найважливіше біологічне значення.
Обмін ліпідів, як і вуглеводів, - багатоступінчастий процес, що складається з травлення, всмоктування, транспортування ліпідів кров'ю, внутрішньоклітинного окиснення та біосинтезу.
Перетравлення ліпідів
Перетравлення тригліцеридів.Тригліцериди, або нейтральні жири є концентрованими джерелами енергії в організмі. При окисненні 1 г жиру вивільняється близько 38,9 кДж енергії. Як гідрофобні сполуки, жири резервуються в компактній формі, займаючи порівняно мало місця в організмі. Разом з їжею в організм людини щодобово надходить до 70 г жирів рослинного та тваринного походження. За своєю хімічною природою є головним чином тригліцеридами.
Розщеплення жирів відбувається за допомогою ферментів, званих ліпази.Слина не містить таких ферментів, тому в ротовій порожнині жири ніяких змін не зазнають. У шлунку активність ліпази дуже слабка. Це з тим, що у шлунку реакція середовища сильнокисла (рН = 1,5-2,5), тоді як оптимум дії ліпази перебуває при рН = 7,8 = 8,1. У зв'язку з цим у шлунку перетравлюється всього 3-5% жирів, що надходять.
Перетравлення жирів у шлунку відбувається лише у новонароджених та дітей грудного віку. Це з тим, що рН середовища у шлунку новонароджених становить 5,6, а цих умовах ліпаза виявляє велику активність. Крім того, жир материнського молока, яке є основним продуктом харчування дітей у цей період, знаходиться у сильно емульгованому стані, а саме молоко містить ліполітичний фактор, що бере участь у перетравленні жирів.
Однак шлунок все ж таки грає певну роль у процесі перетравлення жирів у дорослих. Він регулює надходження жиру в кишки та перетравлює білки, звільняючи таким шляхом жир із ліпопротеїдних комплексів їжі.
Основним місцем перетравлення жирів є дванадцятипала кишка та відділи тонкої кишки. Оскільки жири нерозчинні у воді, а ферменти, що їх розщеплюють, є водорозчинними сполуками, необхідною умовою для гідролітичного розщеплення жирів на складові є їх диспергування(дроблення) з утворенням тонкої емульсії. Диспергування та емульгування жиру відбувається внаслідок дії кількох факторів: жовчних кислот, вільних вищих жирних кислот, моно- та дигліцеридів, а також білків. Цьому сприяють також перистальтика кишок і вуглекислий газ, що постійно утворюється, який виділяється при взаємодії кислих компонентів їжі, що надходять зі шлунка, з карбонатами кишок, що створюють лужне середовище. Вуглекислий газ, що утворився, «пробулькивает» через харчові маси, беручи участь таким чином у диспергуванні жиру. Нейтралізації вмісту шлунка сприяє також надходження у просвіт тонкої кишки жовчі, що має лужний характер.
Жовч - в'язка рідина світло-жовтого кольору зі специфічним запахом, гірка на смак. До складу жовчі входять жовчні кислоти. жовчні пігменти, продукти розпаду гемоглобіну, холестерин, лецитин, жири, деякі ферменти, гормони та ін. Жовч сприяє перистальтиці тонкої кишки, надає бактеріостатичну дію на її мікрофлору. З жовчю виділяються з організму отрути. Вона також є активатором ліполітичних ферментів і підвищує проникність стінки кишок.
Головною складовоюжовчі є жовчні кислоти.Вони утворюються в печінці з холестерину і знаходяться у жовчі як у вільному, так і у зв'язаному стані, а також у вигляді натрієвих солей. У жовчі людини міститься в основному три жовчні кислоти. Основну масу складають холева (3,7,12-тригідроксихола-нова) і дезоксихолева (3,12-дигідроксихоланова), невелику частину - літохолева (3-гідроксихоланова) кислоти, які є похідними холанової кислоти. :
Холевая кислота може перебувати в жовчі також у зв'язаному стані у вигляді парних сполук з гліцином та похідним цистеїну таурином - відповідно глікохолевої та таурохолевої кислот:
Натрієва сіль глікохолевої кислоти
Натрієва сіль таурохолевої кислоти
Завдяки наявності жовчних кислот відбувається зниження поверхневого натягуліпідних крапель, що сприяє утворенню дуже тонкої та стійкої емульсії діаметр частинок якої становить близько 0,5 мкм. Утворенню емульсії сприяють також моногліцериди та вищі жирні кислоти. Емульгування жиру призводить до колосального збільшення поверхні дотику ліпази з водним розчином. Таким чином, чим тонша емульсія жирів, тим краще і швидше вони розщеплюються ліпази. Крім того, у вигляді тонкої емульсії жири можуть навіть всмоктуватись стінкою кишок безпосередньо, не розщеплюючись на складові.
У присутності жовчних кислот під дією ліпази у просвіті тонкої кишки відбувається гідролітичне розщеплення жирів. В результаті цього утворюються продукти часткового та повного розщеплення жирів - моно- та дигліцериди, вільні вищі жирні кислоти та гліцерин:
Тут же міститься і частина нерозщепленого жиру як дуже тонкої емульсії. Всі ці продукти надалі всмоктуються стінкою кишок. У цій суміші тригліцериди складають близько 10 % , моно-
ідісахариди - також 10 % , а основна маса - близько 80 % - продукти повного розщеплення жирів - гліцерин та вищі жирні
Перетравлення фосфогліцеридів.Основним місцем перетравлення фосфатидів також є дванадцятипала кишка. Емульгування цих ліпідів відбувається під впливом тих самих речовин, що й три-гліцеридів. Однак гідролітичне розщеплення фосфатидів здійснюється під дією фосфоліпазу А, В, С і D. Кожен фермент діє на певний складноефірний зв'язок фосфоліпіду. Гідролітичне розщеплення, наприклад, лецитину відбувається так:
Такого повного розщеплення піддається незначна частина фосфатидів, оскільки його проміжні продукти добре розчиняються у воді і легко всмоктуються стінкою кишок. До того ж фосфоглі-цериди легко утворюють емульсії, які можуть всмоктуватися кишковою стінкою.
Перетравлення стеридів.Стериди, що входять до складу їжі, емульгуються під впливом тих самих факторів, що й жири, після чого піддаються гідролітичному розщепленню до вільних стеринів та вищих жирних кислот. Цей процес здійснюється під дією ферменту холестерінестерази.
Всмоктування ліпідів
У результаті травлення жирів, фосфатидів, стеридів у просвіті тонкої кишки утворюється значна кількість продуктів їх часткового та повного гідролітичного розщеплення: моно- та дигліцериди, вищі жирні кислоти, стерини, азотисті основи, фосфорна кислота. Міститься також невелика кількість тригліцеридів, що перебувають у тонкоемульгованому стані. Всі ці продукти всмоктуються стінкою тонкої кишки.
Такі продукти розщеплення, як жирні кислоти і холестерин, погано розчиняючись у воді, утворюють з жовчними кислотами водорозчинні комплекси - так звані холеїнові кислоти.Ці кислоти легко проникають в епітеліальні клітини стінки кишок, де розщеплюються на складові. Визволені жовчні кислоти повертаються в просвіт кишок і знову використовуються для транспортування нерозчинних у воді продуктів розщеплення жирів.
Частина продуктів розщеплення (гліцерин, гліцеринфосфорна кислота, азотисті основи) добре розчиняються у воді і легко проникають в епітеліальні клітини. Фосфорна кислотавсмоктується в клітини епітелію стінки тонкої кишки у вигляді натрієвих та калієвих солей. В основі всмоктування ліпідів лежить ряд складних фізико-хімічних та біологічних процесів, для здійснення яких витрачається енергія макроергічних зв'язків АТФ.
В епітеліальних клітинах слизової оболонки кишок із продуктів гідролітичного розщеплення, що всмокталися, знову синтезуються ліпіди. Однак цей ресинтез призводить до утворення специфічних жирів, притаманних даному організму.
Для утворення нейтральних жирів використовуються вищі жирні кислоти, гліцерин, моно- та дигліцериди. Одночасно відбувається і синтез фосфатидів, для яких використовуються головним чином гліцеринфосфорна кислота, гліцериди та дигліцериди, а також у невеликій кількості моногліцериди. З холестерину та вищих жирних кислот утворюються стериди.
В епітеліальних клітинах стінки кишок із синтезованих ліпідів, а також крапель тригліцеридів, що всмокталися, вітамінів (A, D, Е, К) і білків утворюються комплекси розміром 150-200 нм, звані хило мікронами.Внутрішній вміст хіломікрону, представлений різними ліпідами, що утворилися різного роду, головним чином тригліцеридами, оточений зовнішньою білковою оболонкою, завдяки якій хіломікрони добре розчиняються у воді. Хіло-мікрони дифундують спочатку в міжклітинну рідину, потім в лімфатичні капіляри і зрештою потрапляють у кров'яне русло, де під дією гепарину розпадаються на дрібні частки. Зі струмом крові вони розносяться по всьому організму і відкладаються в резерв у жирових депо - підшкірній та навколонирковій клітковині, сальнику, брижі, м'язовій тканині. Частина жирів крові використовується для пластичних цілей, як джерело хімічної енергіїі т.д.
Таким чином, хіломікрони є переносниками утворених в епітеліальних клітинах тонкої кишки ліпідів. При цьому вони транспортують у крові головним чином тригліцериди.
Поряд з хіломікронами існують інші форми транспорту ліпідів кров'ю, наприклад α- і β-ліпопротеїди. Їхні молекули є складними комплексами ліпідів з білками. α-Ліпопро-теїди є основними транспортними формами фосфатидів, β-ліпопротеїди-переносниками холестерину та його ефірів.
Найбільш рухливою формою ліпідів є вільні вищі жирні кислоти.
Важлива роль активному транспортуванні ліпідів належить форменим елементам крові. Еритроцити, наприклад, беруть участь у перенесенні фосфатидів та холестерину, лейкоцити-тригліцеридів.
Велика роль обміні ліпідів належить жировим депо. Дослідження показали, що у жирових депо відкладається як знову синтезований у організмі специфічно видовий жир, а й у невеликих кількостях чужорідний, тобто. що входить до складу їжі. Досліди, проведені на собак, що голодують, показали, що харчові жири після всмоктування надходять спочатку в жирові депо, з яких переходять в плазму крові.
Таким чином, жирова тканина не є пасивним депо жирів, її склад постійно оновлюється за рахунок ліпідів, що всмоктуються з кишок або синтезуються в організмі.
