Энергетическая характеристика гликолиза. Анаэробный гликолиз: понятие, этапы, общая схема, последовательность реакций, регуляция, энергетический баланс. Регуляция гликолиза. Основные компоненты электронтранспортной цепи

В аэробном гликолизе можно выделить 2 этапа.

Подготовительный этап, в ходе которого глюкоза фосфорилируется и расщепляется на две молекулы фосфотриоз. Эта серия реакций протекает с использованием 2 молекул АТФ.

Этап, сопряжённый с синтезом АТФ. В результате этой серии реакций фосфотриозы превращаются в пируват. Энергия, высвобождающаяся на этом этапе, используется для синтеза 10 моль АТФ.

2. Реакции аэробного гликолиза

Превращение глюкозо-6-фосфата в 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата

Глюкозо-6-фосфат, образованный в результате фосфорилирования глюкозы с участием АТФ, в ходе следующей реакции превращается в фруктозо-6-фосфат. Эта обратимая реакция изомеризации протекает под действием фермента глюкозофосфатизомеразы.

Затем следует ещё одна реакция фосфорилирования с использованием фосфатного остатка и энергии АТФ. В ходе этой реакции, катализируемой фосфофруктокиназой, фруктозо-6-фосфат превращается в фруктозо-1,6-бисфосфат. Данная реакция, так же, как гексокиназная, практически необратима, и, кроме того, она наиболее медленная из всех реакций гликолиза. Реакция, катализируемая фосфофруктокиназой, определяет скорость всего гликолиза, поэтому, регулируя активность фосфофруктокиназы, можно изменять скорость катаболизма глюкозы.

Фруктозо-1,6-бисфосфат далее расщепляется на 2 триозофосфата: глицеральдегид-3-фосфат и дигидроксиацетонфосфат. Реакцию катализирует фермент фруктозобисфосфатальдолаза, или просто альдолаза. Этот фермент катализирует как реакцию альдольного расщепления, так и альдольной

Рис. 7-34. Пути катаболизма глюкозы. 1 - аэробный гликолиз; 2, 3 - общий путь катаболизма; 4 - аэробный распад глюкозы; 5 - анаэробный распад глюкозы (в рамке); 2 (в кружке) - стехиометрический коэффициент.

Рис. 7-35. Превращение глюкозо-6-фосфата в триозофосфаты.

конденсации, т.е. обратимую реакцию. Продукты реакции альдольного расщепления - изомеры. В последующих реакциях гликолиза используется только глицеральдегид-3-фосфат, поэтому дигидроксиацетонфосфат превращается с участием фермента триозофосфатизомеразы в глицероальдегид-3-фосфат (рис. 7-35).

В описанной серии реакций дважды происходит фосфорилирование с использованием АТФ. Однако расходование двух молекул АТФ (на одну молекулу глюкозы) далее будет компенсировано синтезом большего количества АТФ.

Превращение глицеральдегид-3-фосфата в пируват

Эта часть аэробного гликолиза включает реакции, связанные с синтезом АТФ. Наиболее сложной в данной серии реакций является реакция превращения глицеральдегид-3-фосфата в 1,3-бисфосфоглицерат. Это превращение - первая реакция окисления в ходе гликолиза. Реакцию катализирует глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа, которая является NAD-зависимым ферментом. Значение данной реакции заключается не только в том, что образуется восстановленный кофермент, окисление которого в дыхательной цепи сопряжено с синтезом АТФ, но также и в том, что свободная энергия окисления концентрируется в макроэргической связи продукта реакции. Глицеральдегид- 3 -фосфатдегидрогеназа содержит в активном центре остаток цистеина, сульфгидрильная группа которого принимает непосредственное участие в катализе. Окисление глицеральдегид-3-фосфата приводит к восстановлению NAD и образованию с участием Н3РО4 высокоэнергетической ангидридной связи в 1,3-бисфосфоглицерате в положении 1. В следующей реакции высокоэнергетический фосфат передаётся на АДФ с образованием АТФ. Фермент, катализирующий это превращение, назван по обратной реакции фосфоглицераткиназой (киназы называются по субстрату, находящемуся в уравнении реакции по одну сторону с АТФ). Данная серия реакций показана на рис. 7-36.

Образование АТФ описанным способом не связано с дыхательной цепью, и его называют субстратным фосфорилированием АДФ. Образованный 3-фосфоглицерат уже не содержит макроэргической связи. В следующих реакциях происходят внутримолекулярные перестройки, смысл которых сводится к тому, что низкоэнергетический

Рис. 7-36. Превращение глицеральдегид-3-фосфата в 3-фосфоглицерат.

фосфоэфир переходит в соединение, содержащее высокоэнергетический фосфат. Внутримолекулярные преобразования заключаются в переносе фосфатного остатка из положения 3 в фосфоглицерате в положение 2. Затем от образовавшегося 2-фосфоглицерата отщепляется молекула воды при участии фермента енолазы. Название дегидратирующего фермента дано по обратной реакции. В результате реакции образуется замещённый енол - фосфоенолпируват. Образованный фосфоенолпируват - макроэргическое соединение, фосфатная группа которого переносится в следующей реакции на АДФ при участии пируваткиназы (фермент также назван по обратной реакции, в которой происходит фосфорилирование пирувата, хотя подобная реакция в таком виде не имеет места).

Превращение фосфоенолпирувата в пируват - необратимая реакция. Это вторая в ходе гликолиза реакция субстратного фосфорилирования. Образующаяся енольная форма пирувата затем неферментативно переходит в более термодинамически стабильную кетофор-му. Описанная серия реакций представлена на рис. 7-37.

Рис. 7-37. Превращение 3-фосфоглицерата в пируват.

Схема 10 реакций, протекающих при аэробном гликолизе, и дальнейшее окисление пирувата представлены на рис. 7-33.

Фотосинтез - это процесс преобразования лучистой энергии в химическую с использованием последней в синтезе углеводов из углекислого газа. Сум­марное уравнение фотосинтеза:

Процесс этот эндергонический и требует значительного количества энергии Поэтому суммарный процесс фотосинтеза складывается из двух стадий, кото­рые принято называть световой (или энергетической) и темповой (или мета­болической). В хлоропласте эти стадии пространственно разобщены - свето­вая осуществляется в квантосомах мембран тилактоидов, а темновая-вне тилактоидов, в водной среде стромы. Взаимосвязь между световой и темновой стадиями можно выразить схемой

Световая стадия протекает на свету. Энергия света трансформируется на-этой стадии в химическую энергию АТФ, а бедные энергией электроны воды пере­ходят в богатые энергией электроны НАДФ Н г _ Побочным веществом, обра­зующимся в ходе световой стадии, является кислород. Богатые энергией продукты световой стадии АТФ и НАДФ * Н г используются в следующей ста­дии, которая может проходить в темноте. В темновой стадии наблюдается восстановительный синтез глюкозы из СОг. Без световой стадии темновая невозможна.

Механизм световой (фотохимической) стадии фотосинтеза

В мембранах тилактоидов имеются два фотохимических центра, или фото­системы, которые обозначаются как фотосистемы I и II (рис. 46). Каждая из фотосистем не может заменить друг друга, ибо функции их различны В состав фотосистем входят различные пигменты: зеленые - хлорофиллы а и Ь, желтые - каротиноиды и красные или синие - фикобилины. Фотохимически активен среди этого комплекса пигментов только хлорофилл с. Остальные пигменты играют вспомогательную роль, являясь лишь собирателями световых квантов (своеобразные светособирающие линзы) н проводниками их к фото­химическому центру. Функцию фотохимических центров выполняют особые формы хлорофилла а, а именно: в фотосистеме I -пигмент 700 (Р 70 о), погло­щающий свет с длиной волны около 700 нм, в фотосистеме II - пигмент 680 (Р 680), поглощающий свет с длнной волны 680 нм. На 300-400 молекул светособирающих пигментов в фотосистемах I и II приходится только одна молекула фотохимически активного пигмента - хлорофилла а. Поглощение световых квантов фотосистемой I переводит нигмент Р 700 из основного состояния в возбужденное - Р*оо, в котором он легко теряет электрон. Потеря элек­трона вызывает образование электронной дырки в виде Р^,

Электроиная дырка способна легко заполняться электроном.

Итак, поглощение световых квантов фотосистемой I приводит к разделе­нию зарядов: положительного в виде электронной дырки (Р^о) и отрицатель­но заряженного электрона, который сначала акцептируется специальными железосерными белками (FeS-центр), а затем или транспортируется но одной из цепей переносчиков обратно к Р^н, заполняя электронную дырку, или по другой цепи переносчиков через ферредоксин и флавопротеид к постоянному акцептору - НАДФ Н я. В первом случае происходит замкнутый циклический транспорт электрона/а во втором -нециклический. Возвращение возбужден­ных электронов иа Рщщ связано с освобождением энергии (при переходе с вы­сокого на низкий энергетический уровень), которая аккумулируется-в фосфат­ных связях АТФ. Этот процесс называется фотофосфорилированием; при циклическом переносе происходит циклическое фотофосфорилирование, при нециклическом - соответственно нециклическое. В тнлактоидах идут оба про­цесса, хотя второй более сложный. Он сопряжен с работой.фотосистемы И.

Поглощение световых квантов фотосистемой II вызывает разложение (фотоокисление) воды в фотохимическом центре Р^по схеме

Фотолиз воды называется реакцией Хилла. Электроны, образующиеся прн разложении воды, первоначально акцептируются веществом, обозначаемым Q (иногда его называют цитохромом С БМ по максимуму поглощения, хотя оно не является цитохромом). Затем от вещества Q через цепь переносчиков, похожую по составу на митохондрнальную, электроны направляются к Pf 00 , заполняя электронную дырку.

Следовательно, утраченные Р 700 электроны восполняются за счет электро­нов воды, разлагаемой под действием света в фотосистеме II. Нециклический поток электронов от Н г О к НАДФ ■ Н г, происходящий при взаимодействии двух фотосистем и связывающих их электронно-транспортных цепей, наблюда­ется вопреки значениям редокс-потенциалов: Е° для / г О г /Н г О= +0,81 В. а Е" для НАДФ/НАДФ Н= -0,32 В. Энергия света обращает поток элек­тронов «вспять». Существенно то, что при переносе от фитисжмёмы II к фото­системе I часть энергии электронов аккумулируется в виде протонного по­тенциала на мембране тилактоидов, а затем в энергию АТФ.

Механизм образования протонного потенциала в цепи переноса электро­нов и его использование на образование АТФ в хлоропластах сходен с тако­вым в митохондриях. Однако в механизме фотофосфорилирования имеются некоторые особенности. Тилактоиды представляют собой как бы вывернутые наизнанку митохондрии, поэтому направление переноса электронов и протонов через мембрану противоположно направлению его в митохондриальной мембране (рис. 47). Электроны движутся к внешней стороне, а протоны концентрируются внутри тнлактоидного матрикса. Матрикс заряжается поло­жительно, а внешняя мембрана тилактоида - отрицательно, т. е. направление протонного градиента противоположно направлению его в митохондриях. Другой особенностью является значительно большая доля рН в протонном потенциале по сравнению с митохондриями. Тилактоидный матрикс сильно закисляется, поэтому ДрН может достигать 0,1-0,2 В, в то время как Дф со­ставляет около 0,1 В. Общее значение Др н + >0,25 В.

Н*-АТФ-синтетаза, обозначаемая в хлоропластах как комплекс «CF, + F 0 », ориентирована тоже в противоположном направлении. Головка ее (F,) смот­рит наружу, в сторону стромы хлоропласта. Протоны выталкиваются через CF 0 +F t изматрикса наружу, и в активном центре F, образуется АТФ за счет энергии протонного потенциала.

В отличие от мнтохондриальной цепи в тилактоидной имеется, по-видимо­му, только пня участка сопряжения, поэтому на синтез одной молекулы АТФ требуется вместо двух три протона, т.е. соотношение 3 Н + /1 моль АТФ.

Механизм темновой стадии фотосинтеза

Продукты световой стадии АТФ и НАДФ - Н а, находящиеся в строме хло­ропласта, используются здесь же для синтеза глюкозы из С0 2 . Ассимиляция диоксида углерода (фотохимическое Карбоксилирование) представляет собой циклический процесс, который называется также лентозофосфатным фотоснн-тетнческим циклом или циклом Кальвина (рис. 48). В нем можно выделить три основные фазы: !

1) фиксация С0 2 рибулозодифосфатом;

2) образование триозофосфатов при восстановленин 3-фосфогл | ицерата;

3) регенерация рибулозодифосфата.

Фиксация С0 2 рибулозодифосфатом катализируется ферментом рибуло-зодшросфаткарбоксилазой:

Далее 3-фосфоглицерат восстанавливается с помощью НАДФ Н^и АТФ до глицеральдегнд-3-фосфата. Эта реакция катализируется ферментом - глице-ральдегид-3-фосфат-дегидрогеназой. Глицеральдегид-3-фосфат легко изоме-рнзуется в дигндроксн ацетон фосфат. Оба триозофосфата используются в об­разовании фруктозобнсфосфата (обратная реакция, катализируемая фрукто-зобисфосфат-альдолазой). Часть молекул образовавшегося фруктозобнсфос­фата участвует вместе с триозофосфатами в регенерации рибулозодифосфата (замыкают цикл), а другая часть используется для запасания углеводов в фо-тосинтезирующих клетках, как показано на схеме.

Подсчитано, что для синтеза одной молекулы глюкозы из С0 2 в цикле Кальвина требуется 12 НАДФ Н + Н + и 18 АТФ (12 молекул АТФ расходу­ются на восстановление 3-фосфоглицерата, а 6 молекул - в реакциях регенера­ции рибулозодифосфата). Минимальное соотношение - 3 АТФ г 2 НАДФ-Н,

Можно заметить общность принципов, лежащих в основе фотосинтетиче" ского и окислительного фосфорилирования, причем фотофосфорнл-ирование представляет собой как бы обращенное окислительное фосфорилирование:

Энергия света является движущей силой фосфорилирования и синтеза органических веществ (S-Hj) при фотосинтезе и, наоборот, энергия окисле­ния органических веществ - при окислительном фосфорилировании. Поэтому именно растения обеспечивают жизнь животным и другим гетеротрофным организмам:

Углеводы, образующиеся при фотосинтезе, служат для построения угле­родных скелетов многочисленных органических веществ растений. Азоторгани-ческие вещества усваиваются фотосинтезирующими организмами путем вос­становления неорганических нитратов или атмосферного азота, а сера - вос­становлением сульфатов до сульфгндрильных групп аминокислот. Фотосинтез в конечном итоге обеспечивает построение не только обязательных для жизни белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, кофакторов, но и многочис­ленных продуктов вторичного синтеза, являющихся ценными лекарственными веществами (алкалоиды, флавоноиды, полифенолы, терпены, стероиды, орга­нические кислоты и т.д.).

Билет 48-другой вариант

Фотосинтез (от греч. φωτο- - свет и σύνθεσις - синтез, совмещение, помещение вместе) - процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл урастений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий). В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция - совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных эндэргонических реакциях, в том числе превращения углекислого газа ворганические вещества.

Световая (светозависимая) стадия

В ходе световой стадии фотосинтеза образуются высокоэнергетические продукты: АТФ, служащий в клетке источником энергии, и НАДФН, использующийся как восстановитель. В качестве побочного продукта выделяется кислород. В общем роль световых реакций фотосинтеза заключается в том, что в световую фазу синтезируются молекула АТФ и молекулы-переносчики протонов, то есть НАДФ Н 2 .

Фотохимическая суть процесса

Хлорофилл имеет два уровня возбуждения (с этим связано наличие двух максимумов на спектре его поглощения): первый связан с переходом на более высокийэнергетический уровень электрона системы сопряжённых двойных связей, второй - с возбуждением неспаренных электронов азота и магния порфиринового ядра. При неизменном спине электрона формируются синглетные первое и второе возбуждённое состояние, при изменённом - триплетное первое и второе.

Второе возбуждённое состояние наиболее высокоэнергетично, нестабильно и хлорофилл за 10 -12 сек переходит с него на первое, с потерей 100 кДж/моль энергии только в виде теплоты. Из первого синглетного и триплетного состояний молекула может переходить в основное с выделением энергии в виде света (флуоресценция ифосфоресценция соответственно) или тепла, с переносом энергии на другую молекулу, либо, поскольку электрон на высоком энергетическом уровне слабо связан с ядром, с переносом электрона на другое соединение.

Первая возможность реализуется в светособирающих комплексах, вторая - в реакционных центрах, где переходящий в возбужденное состояние под воздействием кванта света хлорофилл становится донором электрона (восстановителем) и передаёт его на первичный акцептор. Чтобы предотвратить возвращение электрона на положительно заряженный хлорофилл, первичный акцептор передаёт его вторичному. Кроме того, время жизни полученных соединений выше чем у возбуждённой молекулы хлорофилла. Происходит стабилизация энергии и разделения зарядов. Для дальнейшей стабилизации вторичный донор электронов восстанавливает положительно заряженный хлорофилл, первичным донором же является в случае оксигенного фотосинтеза вода.

Проблемой, с которой сталкиваются при этом проводящие оксигенный фотосинтез организмы, является различие окислительно-восстановительных потенциалов воды (для полуреакции H 2 O → O 2 (E 0 =+0,82 В) и НАДФ + (E 0 =-0,32 В). Хлорофилл при этом должен иметь в основном состоянии потенциал больший +0,82 В чтобы окислять воду, но при этом иметь в возбуждённом состоянии потенциал меньший чем −0,32 В чтобы восстанавливать НАДФ + . Одна молекула хлорофилла не может отвечать обоим требованиям. Поэтому сформировалось две фотосистемы и для полного проведения процесса необходимо два кванта света и два хлорофилла разных типов.

Светособирающие комплексы

Хлорофилл выполняет две функции: поглощения и передачи энергии. Более 90 % всего хлорофилла хлоропластов входит в состав светособирающих комплексов (ССК), выполняющих роль антенны, передающей энергию к реакционному центру фотосистем I или II. Помимо хлорофилла в ССК имеются каротиноиды, а у некоторых водорослейи цианобактерий - фикобилины, роль которых заключается в поглощении света тех длин волн, которые хлорофилл поглощает сравнительно слабо.

Передача энергии идёт резонансным путём (механизм Фёрстера) и занимает для одной пары молекул 10 −10 -10 −12 с, расстояние на которое осуществляется перенос составляет около 1 нм. Передача сопровождается некоторыми потерями энергии (10 % от хлорофилла a к хлорофиллу b, 60 % от каротиноидов к хлорофиллу), из-за чего возможна только от пигмента с максимумом поглощения при меньшей длине волны к пигменту с большей. Именно в таком порядке взаимно локализуются пигменты ССК, причём наиболее длинноволновые хлорофиллы находятся в реакционных центрах. Обратный переход энергии невозможен.

ССК растений расположен в мембранах тилакоидов, у цианобактерий основная его часть вынесена за пределы мембран в прикреплённые к ним фикобилисомы - палочковидные полипептидно-пигментные комплексы, в которых находятся различные фикобилины: на периферии фикоэритрины (с максимумом поглощения при 495-565 нм), за ними фикоцианины (550-615 нм) и аллофикоцианины (610-670 нм), последовательно передающие энергию на хлорофилл a (680-700 нм) реакционного центра.

Основные компоненты электронтранспортной цепи

Фотосистема II

Фотосистема - совокупность ССК, фотохимического реакционного центра и переносчиков электрона. Светособирающий комплекс II содержит 200 молекул хлорофилла a, 100 молекул хлорофилла b, 50 молекул каротиноидов и 2 молекулы феофитина. Реакционный центр фотосистемы II представляет собой пигмент-белковый комплекс, расположенный в тилакоидных мембранах и окружённый ССК. В нём находится димер хлорофилла a с максимумом поглощения при 680 нм (П680). На него в конечном счёте передаётся энергия кванта света из ССК, в результате чего один из электронов переходит на более высокое энергетическое состояние, связь его с ядром ослабляется и возбуждённая молекула П680 становится сильным восстановителем (E 0 =-0,7 В).

П680 восстанавливает феофитин, в дальнейшем электрон переносится на хиноны, входящие в состав ФС II и далее на пластохиноны, транспортируемые в восстановленной форме к b 6 f комплексу. Одна молекула пластохинона переносит 2 электрона и 2 протона, которые берутся из стромы.

Заполнение электронной вакансии в молекуле П680 происходит за счёт воды. В состав ФС II входит водоокисляющий комплекс , содержащий в активном центре ионымарганца в количестве 4 штук. Для образования одной молекулы кислорода требуется две молекулы воды, дающие 4 электрона. Поэтому процесс проводится в 4 такта и для его полного осуществления требуется 4 кванта света. Комплекс находится со стороны внутритилакоидного пространства и полученные 4 протона выбрасываются в него.

Таким образом, суммарный результат работы ФС II - это окисление 2 молекул воды с помощью 4 квантов света с образованием 4 протонов во внутритилакоидном пространстве и 2 восстановленных пластохинонов в мембране.

b 6 f или b/f-комплекс

b 6 f комплекс является насосом, перекачивающим протоны из стромы во внутритилакоидное пространство и создающий градиент их концентрации за счёт выделяющейся в окислительно-восстановительных реакциях электронтранспортной цепи энергии. 2 пластохинона дают перекачку 4 протонов. В дальнейшем трансмембранный протонный градиент (pH стромы около 8, внутритилакоидного пространства - 5) используется для синтеза АТФ трансмембранным ферментом АТФ-синтазой.

Фотосистема I

Светособирающий комплекс I содержит примерно 200 молекул хлорофилла.

В реакционном центре первой фотосистемы находится димер хлорофилла a с максимумом поглощения при 700 нм (П700). После возбуждения квантом света он восстанавливает первичный акцептор - хлорофилл a, тот - вторичный (витамин K 1 или филлохинон), после чего электрон передаётся на ферредоксин, который и восстанавливает НАДФ с помощью фермента ферредоксин-НАДФ-редуктазы.

Белок пластоцианин, восстановленный в b 6 f комплексе, транспортируется к реакционному центру первой фотосистемы со стороны внутритилакоидного пространства и передаёт электрон на окисленный П700.

Циклический и псевдоциклический транспорт электрона

Помимо полного нециклического пути электрона, описанного выше, обнаружены циклический и псевдоциклический.

Суть циклического пути заключается в том, что ферредоксин вместо НАДФ восстанавливает пластохинон, который переносит его назад на b 6 f комплекс. В результате образуется больший протонный градиент и больше АТФ, но не возникает НАДФН.

При псевдоциклическом пути ферредоксин восстанавливает кислород, который в дальнейшем превращается в воду и может быть использован в фотосистеме II. При этом также не образуется НАДФН.

Темновая стадия

В темновой стадии с участием АТФ и НАДФН происходит восстановление CO 2 до глюкозы (C 6 H 12 O 6). Хотя свет не требуется для осуществления данного процесса, он участвует в его регуляции.

С 3 -фотосинтез, цикл Кальвина

Цикл Кальвина или восстановительный пентозофосфатный цикл состоит из трёх стадий:

карбоксилирования;

восстановления;

регенерация акцептора CO 2 .

На первой стадии к рибулозо-1,5-бифосфату присоединяется CO 2 под действием фермента рибулозобисфосфат-карбоксилаза/оксигеназа. Этот белок составляет основную фракцию белков хлоропласта и предположительно наиболее распространённый фермент в природе. В результате образуется промежуточное неустойчивое соединение, распадающееся на две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты (ФГК).

Во второй стадии ФГК в два этапа восстанавливается. Сначала она фосфорилируется АТФ под действием фосфороглицерокиназы с образованием 1,3-дифосфоглицериновой кислоты (ДФГК), затем при воздействии триозофосфатдегидрогеназы и НАДФН ацил-фосфатная группа ДФГК дефосфорилируется и восстанавливается до альдегидной и образуется глицеральдегид-3-фосфат - фосфорилированный углевод (ФГА).

В третьей стадии участвуют 5 молекул ФГА, которые через образование 4-, 5-, 6- и 7-углеродных соединений объединяются в 3 5-углеродных рибулозо-1,5-бифосфата, для чего необходимы 3АТФ.

Наконец, две ФГА необходимы для синтеза глюкозы. Для образования одной её молекулы требуется 6 оборотов цикла, 6 CO 2 , 12 НАДФН и 18 АТФ.

Продукты питания, которые использует человек, чрезвычайно разнообразны. Основная часть продуктов питания имеет биологическое происхожде­ние (растительные и животные продукты) и меньшая часть небиологи­ческое (вода и растворенные в ней минеральные соли). Поскольку в биоло­гических объектах основная часть веществ находится в виде биополимеров, то основную массу пищи составляют высокомолекулярные компоненты, а не мономеры, В понятие «питательные вещества» входит группа основных компо­нентов пищи, которые обеспечивают необходимые энергетические и пластнческие потребности организма. К питательным веществам относятся шесть групп веществ: 1) белки; 2) углеводы; 3) липиды; 4) витамины (включая и вита-миноподобные вещества); 5) минеральные вещества; 6) вода.

Кроме питательных веществ в пище содержится большая группа вспомо­гательных веществ, которые не имеют ни энергетического, ни пластического значения, но определяют вкусовые и другие качества пищи, помогая распаду и всасыванию питательных веществ. Присутствие этих веществ обычно учиты­вается при разработке рационального питания.

Белки. Биологическая ценность белков животного и растительного про­исхождения определяется составом аминокислот, особенно незаменимых. Если в пищевых продуктах белки содержат все незаменимые аминокислоты, то эти белки относятся к полноценным. Остальные пищевые белки неполноценные. Растительные белки в отличие от животных как правило, менее полноценны. Существует международный «условный образец» состава белка, отвечающего потребностям организма. В этом белке 31,4% составляют незаменимые амино­кислоты; остальное - заменимые. Чтобы оценить состав любого пищевого белка, важно иметь эталон с необходимым содержанием незаменимых амино­кислот и наиболее физиологичным соотношением каждой из незаменимых ами­нокислот. В качестве эталона был приннт белок куриного яйца, наиболее от­вечающий физиологическим потребностям организма. Любые пищевые белки сравниваются по составу аминокислот с эталонным.

Общая суточная потребность в белках взрослого человека составляет 80--100 г, из них половина должна быть животного происхождения.

Углеводы. Биологическую ценность среди углеводов пиши имеют полиса хариды - крахмал и гликоген; днсахариды-сахароза, лактоза, трегалоза, мальтоза, изомальтоза. Лишь небольшая доля углеводов пищи приходится на моносахариды (глюкоза, фруктоза, пентозы и т. д.). Содержание моносаха­ридов в пище может возрасти после кулинарной или иной обработки пищевых продуктов. Основная функция углеводов - энергетическая, но они выполняют структурные и ряд других рассмотренных ранее функций, свойственных угле­водам (см. «Углеводы»). Углеводы, имеющие р-гликоэидные связи (целлюло­за, гемицеллюлозы и др.), не расщепляются, поэтому они играют вспомога­тельную роль в пищеварении, активируя механическую деятельность ки­шечника.

Суточная потребность взрослого человека-в углеводах составляет 400- 500 г, из них около 400 г приходится на крахмал. Остальная часть - на днса­хариды, в основном на сахарозу.

Липиды. Биологическую ценность для организма человека представляют в основном следующие компоненты пищи. Триацилглицерины, составляющие главную (по массе) часть липидов пищи. Они определяют энергетическое

значение пищевых липидов, которые составляют от "/з Д° "А энергетической ценности пищи. Различные виды фосфолипидов, входящих в состав мембран клеток, поступают преимущественно с продуктами животного происхождения (мясные продукты, желток яиц, масло и т. д.), так же как и холестерин и его эфиры. Фосфолипиды и холестерин определяют пластическую функцию липи­дов пищи. С липидами пищи поступают незаменимые для организма жиро­растворимые витамины н витаминоподобные соединения.

Суточная потребность в пищевых липидах составляет 80-100 г, из них не менее 20-25 г должно поступать растительных липидов, содержащих нена­сыщенные жирные кислоты.

Витамины и витамнноподобные вещества поступают в организм с расти­тельными и животными продуктами. Кроме того, некоторые витамины синтези­руют* в организме кишечными бактериями (энтерогенные витамины). Одна­ко недоля значительно меньше пищевых. Витамины - абсолютно незамени­мые компоненты пищн, поскольку они используются для синтеза в клетках организма коферментов, являющихся обязательной частью сложных фер­ментов.

Суточная потребность в отдельных витаминах колеблется от нескольких микрограммов до десятков н сотен миллиграммов.

Минеральные вещества. Главным их источником служат небиологические компоненты пищи, т.е. растворенные в питьевой воде минеральные вещества. Частично они поступают в организм с пищевыми продуктами животного и растительного происхождения. Минеральные вещества используются как плас­тический материал (например, кальций, фосфор и др.) и как кофакторы фер­ментов.

Минеральные вещества относятся к незаменимым факторам пищи. Хотя возможна относительная взаимозаменяемость некоторых минеральных эле­ментов в биологических процессах, но невозможность их взаимопревращения в организме является причиной незаменимости этих веществ. Кофакторная часть пищевых минеральных веществ сродни Витаминам.

Суточная потребность взрослого организма человека в отдельных мине­ральных веществах сильно колеблется от нескольких граммов (макроэлемен­ты) до нескольких миллиграммов или микрограммов (микроэлементы, ультра­элементы) .

Вода относится к незаменимым компонентам пищи, хотя небольшие ко­личества воды образуются из белков, липидов и углеводов при обмене их в тканях. Вода поступает с продуктами биологического и небиологического происхождения. Суточная потребность для взрослого человека составляет 1750-2200 г.

Термин «энергетическая ценность» отражает количество энергии, которая может высвободиться из пищевых веществ в результате биологического окисления при использовании ее на выполнение физиологических функций организма. Институт питания АМН при расчете энергетической ценности продукта рекомендует руководствоваться следующими уточненными коэффициентами энергетической ценности основных компонентов пищи, кДж/г: белки - 16,7; жиры - 37,7; усвояемые углеводы - 15,7. При определении энергетической ценности продукта необходимо учитывать усвояемость его отдельных пищевых веществ. Для ориентировочных расчетов Минздравом в 1961 г. рекомендованы следующие коэффициенты усвояемости, %: белки - 84,5; жиры - 94; углеводы (сумма усвояемых и неусвояемых) - 95,6. Для более точных расчетов необходимо также учитывать аминокислотный скор белка.

На долю аминокислот (в составе белков и свободных) приходится более 95 % всего азота организма. Поэтому об общем состоянии аминокислотного и белкового обмена можно судить по азотистому балансу, т. е. разнице между количеством азота,поступающего с пищей, и количеством выделяемого азота (главным образом в составе мочевины). У взрослого здорового человека при нормальном питании имеет место азотистое равновесие, т. е. количество выделяемого азота равно количеству поступающего. В период роста организма, а также при выздоровлении после истощающих заболеваний выводится азота меньше, чем поступает, - положительный азотистый баланс. При старении, голодании и в течение истощающих заболеваний азота выводится больше, чем поступает, - отрицательный азотистый баланс. При положительном азотистом балансе часть аминокислот пищи задерживается в организме, включаясь в состав белков и клеточных структур; общая масса белков в организме увеличивается. Наоборот, при отрицательном азотистом балансе общая масса белков уменьшается (катаболическое состояние). Если из диеты исключить все белки, но полностью сохранить другие компоненты в количествах, обеспечивающих энергетические потребности организма, то азотистый баланс становится отрицательным. Примерно через неделю пребывания на такой диете количество выводимого азота стабилизируется, достигая величины около 4 г за сутки. Такое количество азота соответствует 25 г белка (или аминокислот). Следовательно, при белковом голодании организм ежесуточно расходует около 25 г белков собственных тканей. Практически такой же результат получается при исключении из диеты не всех белков, а только незаменимых аминокислот или даже только одной из них. При полном голодании отрицательный азотистый баланс еще больше, чем при исключении из пищи только белков. Это обусловлено тем, что аминокислоты, образующиеся при распаде тканевых белков, при полном голодании используются также и для обеспечения энергетических потребностей организма. В рационе, достаточном по калорийности, минимальное количество белков, необходимое для поддержания азотистого равновесия, составляет 30-50 г. Однако это количество не обеспечивает оптимума для здоровья и работоспособности. Взрослый человек при средней физической нагрузке должен получать около 100 г белков в сутки

ИСТОЧНИКИ И ПУТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АМИНОКИСЛОТ В КЛЕТКАХ

Фонд свободных аминокислот организма составляет примерно 35 г. Содержание свободных аминокислот в крови в среднем равно 35-65 мг/дл. Большая часть аминокислот входит в состав белков, количество которых в организме взрослого человека нормального телосложения составляет примерно 15 кг.

Источники свободных аминокислот в клетках - белки пищи, собственные белки тканей и синтез аминокислот из углеводов. Многие клетки, за исключением высокоспециализированных (например, эритроцитов), используют аминокислоты для синтеза белков, а также большого количества других веществ: фосфолипидов мембран, гема, пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, биогенных аминов (катехоламинов, гистамина) и других соединений (рис. 9-1).

Какой-либо специальной формы депонирования аминокислот, подобно глюкозе (в виде гликогена) или жирных кислот (в виде триацилглицеролов), не существует. Поэтому резервом аминокислот могут служить все функциональные и структурные белки тканей, но преимущественно белки мышц, поскольку их больше, чем всех остальных.

В организме человека в сутки распадается на аминокислоты около 400 г белков, примерно такое же количество синтезируется. Поэтому тканевые белки не могут восполнять затраты аминокислот при их катаболизме и использовании на синтез других веществ. Первичными источниками аминокислот не могут служить и углеводы, так как из них синтезируются только углеродная часть молекулы большинства аминокислот, а аминогруппа поступает от других аминокислот. Следовательно, основным источником аминокислот организма служат белки пищи.

Рис. 9-1. Источники и пути использования аминокислот.

Протеолитическне ферменты, участвующие в переваривании белков и пепти­дов, синтезируются и выделяются в полость пищеварительного тракта в виде проферментов, или зимогенов. Зимогены неактивны и не могут переваривать собственные белки клеток. Активируются протеолитические ферменты в про­свете кишечника, где действуют на пищевые белки.

В желудочном соке человека имеются два протеолитических фермента - пепсин и гастрнксин, которые очень близки по строению, что указывает на образование их нз общего предшественника.

Пепсин образуется в виде профермента - пепсиногена - в главных клет­ках слизистой желудка. Выделено несколько близких по строению пепсино-генов, из которых образуется несколько разновидностей пепсина: пепсин I , II (Па, Пб), III. Пепсиногены активируются с помощью соляной кислоты, вы­деляющейся обкладочными клетками желудка, и аутокаталитически, т. е. с по­мощью образовавшихся молекул пепсина.

Ингибитор пепсина обладает резко основными свойствами, так как состоит из 8 остатков лизина и 4 остатков аргинина. Активация заключа­ется в отщеплении от N-конца пепсиногена 42 аминокислотных остатков; сна­чала отщепляется остаточный полипептид, а затем ингибитор пепсина.

Пепсин относится к карбоксипротеиназам, содержащим остатки дикарбоновых аминокислот в активном центре с оптимумом рН 1,5-2,5.

Субстратом пепсина являются белки - либо нативные, либо денатуриро­ванные. Последние легче поддаются гидролизу. Денатурацию белков пищи обеспечивает кулинарная обработка или действие соляной кислоты. Следует отметить следующие биологические функции соляной кислоты: 1) активация пепсиногена; 2) создание оптимума рН для действия пепсина и гастриксина в желудочном соке; 3) денатурация пищевых "белков; 4) антимикробное действие.

От денатурирующего влияния соляной кислоты и переваривающего дей­ствия пепсина собственные белки стенок желудка предохраняет слизистый секрет, содержащий глнкопротеиды.

Пепсин, являясь эндопептидаэой, быстро расщепляет в белках внутренние пептидные связи, образованные карбоксильными группами ароматических аминокислот - фенилаланина, тирозина и триптофана. Медленнее гидроли-зует фермент пептидные связи, образованные алифатическими и дикарбоновыми аминокислотами в полипептидной цепи. Гастрнксин близок к пепсину по молекулярной массе (31 500). Оптимум рН у него около 3,5. Гастриксин гидролизует пептидные связи, образуемые дикарбоновыми аминокислотами. Соотношение пепсин/гастриксин в желудоч­ном соке 4:1. При язвенной болезни соотношение меняется в пользу гастриксина.

Присутствие в желудке двух протеиназ, из которых пепсин действует в сильнокислой среде, а гастриксин в среднекислой, позволяет организму легче приспосабливаться к особенностям питания. Например, растительно-молочное питание частично нейтрализует кислую среду желудочного сока, и рН благо­приятствует переваривающему действию не пепсина, а гастриксина. Послед­ний расщепляет связи в пищевом белке.

Пепсин и гастриксин гидролизуют белки до смеси полипептидов (называе­мых также альбумозами и пептонами). Глубина переваривания белков в же­лудке зависит от длительности нахождения в нем пищи. Обычно это неболь­шой период, поэтому основная масса белков расщепляется в кишечнике.

Протеолитическне ферменты кишечника. В кишечник протеолитические ферменты поступают из поджелудочной железы в виде проферментов: трипси-ногена, химотрипсиногена, прокарбоксипептидаз А и В, проэластазы. Активи­рование этих ферментов происходит путем частичного протеолиза их полипеп­тидной цепи, т. е. того фрагмента, который маскирует активный цектр проте­иназ. Ключевым процессом активирования всех проферментов является об­разование трипсина (рис. 31). Трипсиноген, поступающий из поджелудочной железы, активируется с помощью кишечной энтерокиназы, или энтеропептидазы, Кроме того, образующийся трипсин аутокэталитически способствует превращению трипсиногена я трипсин, Механизм активирования трипсиноге-на заключается в гидролизе одной пептидной связи, в результате чего осво­бождается N-концевой гексапептид, называемый ингибитором трипсина. Далее трипсин, разрывая пептидные связи в остальных проферментах, вызы­вает образование активных ферментов. При этом образуются три разновидно­сти химотрипсина, карбоксипептидазы А и В, эластаза.

Кишечные протеиназы гидролизуют пептидные связи пищевых белков и полипептидов, образовавшихся после действия желудочных ферментов, до свободных аминокислот. Трипсин, химотрипсины, эластаза, будучи эндопепти-дазами, способствуют разрыву внутренних пептидных связей, дробя белки и по­липептиды на более мелкие фрагменты. Трипсин гидролизует пептидные связи, образованные главным образом карбоксильными группами лизина и аргинина, менее активен ои в отношении пептидных связей, образованных изолейцином.

Химотрипсины наиболее активны в отношении пептидных связей, в обра­зовании которых принимает участие тирозин, феннлаланин, триптофан. По специфичности действия химотрипсин похож на пепсин. Эластаза гидроли­зует те пептидные связи в полипептидах, где находится пролин.

Карбоксипептидаза А относится к цинксодержащим.ферментам. Она от­щепляет от подипептндов С-концевые ароматические и алифатические амино­кислоты, а карбоксипептидаза В - только С-кониевые остатки лизина и аргинина.

N-концевые аминокислоты полипептидов отщепляет аминополипептидаза кишечника, которая активируется цинком или марганцем, а также цнетеином. В слизистой кишечника присутствуют дипептидазы, гидролизующие днпептиды на две аминокислоты. Дипептидазы активируются ионами кобальта, марганца и цистеином.

Разнообразие протеолитических ферментов приводит к полному расщепле­нию белков до свободных аминокислот даже в том случае, если белки пред­варительно не подвергались действию пепсина в желудке. Поэтому больныепосле операции частичного или полного удаления желудка сохраняют способ­ность усваивать белки пищи.

Билет 50-другой вариант

Белки, поступающие с пищей, подвергаются в желудочно-кишечном тракте распаду при участии протеолитических ферментов или пептидгидролаз, которые ускоряют гидролитическое расщепление пептидных связей между аминокислотами. Различные пептидгидролазы обладают относительной специфичностью, они способны катализировать расщепление пептидных связей между определенными аминокислотами. Пептидгидролазы выделяются в неактивной форме (это предохраняет стенки пищеварительной системы от самопереваривания). Активируются они при поступлении пищи в соответствующий отдел желудочно-кишечного тракта или при виде и запахе пищи по механизму условного рефлекса. Активация пепсина и трипсина происходит по механизму автокатализа, другие пептидгидролазы активируются трипсином.

Во рту белки пищи только механически измельчаются, но не подвергаются химическим изменениям, так как в слюне нет пептидгидролаз. Химическое изменение белков начинается в желудке при участии пепсина и соляной кислоты. Под действием соляной кислоты белки набухают, и фермент получает доступ во внутренние зоны их молекул. Пепсин ускоряет гидролиз внутренних (расположенных далеко от концов молекул) пептидных связей. В результате из белковой молекулы образуются высокомолекулярные пептиды. Если в желудок поступают сложные белки, пепсин и соляная кислота способны катализировать отделение их простетической (небелковой) группы.

Высокомолекулярные пептиды в кишечнике подвергаются дальнейшим превращениям в слабощелочной среде под действием трипсина, химотрипсина и пептидаз. Трипсин ускоряет гидролиз пептидных связей, в образовании которых принимают участие карбоксильные группы аргинина и лизина; химотрипсин расщепляет пептидные связи, образованные с участием карбоксильных групп триптофана, тирозина и фенилаланина. В результате действия этих ферментов высокомолекулярные пептиды превращаются в низкомолекулярные и некоторое количество свободных аминокислот. Низкомолекулярные пептиды в тонком кишечнике подвергаются действию карбоксипептидаз А и В, отщепляющих концевые аминокислоты со стороны свободной аминогруппы, и аминопептидаз, делающих то же самое со стороны свободной аминогруппы. В результате образуются дипептиды, которые гидролизуются до свободных аминокислот под действием дипептидаз. Аминокислоты и некоторое количество низкомолекулярных пептидов всасываются кишечными ворсинками. Этот процесс требует затрат энергии. Часть аминокислот уже в стенках кишечника включаются в синтез специфических белков, большая же часть продуктов пищеварения поступает в кровь (95%) и в лимфу.

Часть аминокислот, образовавшаяся в процессе пищеварения, и непереваренные белки нижних отделов кишечника подвергаются гниению под действием кишечных бактерий. Из некоторых аминокислот образуются ядовитые продукты: фенолы, амины, меркаптаны. Они частично выводятся из организма с калом, частично всасываются в кровь, переносятся ею в печень, где происходит их обезвреживание. Этот процесс требует значительных затрат энергии.

Сложный белок в пищеварительной системе распадается на белок и простетическую группу. Простые белки подвергаются гидролизу до аминокислот. Превращения простетических групп происходят в соответствии с их химической природой. Гем хромопротеидов окисляется в гематин, который почти не всасывается в кровь, а выделяется с калом. Нуклеиновые кислоты в кишечнике гидролизуются при участии эндонуклеаз, экзонуклеаз и нуклеотидаз. Под действием эндонуклеаз из молекул нуклеиновых кислот образуются крупные осколки - олигонуклеотиды. Экзонуклеазы от концов молекул нуклеиновых кислот и олигонуклеотидов отщепляют мономеры - отдельные мононуклеотиды, которые под действием нуклеотидаз могут распадаться на фосфорную кислоту и нуклеозид. Мононуклеотиды и нуклеозиды всасываются в кровь и переносятся к тканям., где мононуклеотиды используются для синтеза специфических нуклеиновых кислот, а нуклеозиды подвергаются дальнейшему распаду.

Механизм реакции трансаминирования непрост и протекает по типу "пинг-понг". Катализируют реакцию ферментыаминотрансферазы , Они являются сложными ферментами, в качестве кофермента имеют пиридоксальфосфат (активная формавитамина В 6).

В тканях насчитывают около 10 аминотрансфераз, обладающие групповой специфичностью и вовлекающие в реакции все аминокислоты, кроме пролина , лизина , треонина , которые не подвергаются трансаминированию.

Весь перенос аминогруппы совершается в две стадии :

к пиридоксальфосфату сначала присоединяется первая аминокислота, отдает аминогруппу, превращается в кетокислоту и отделяется. Аминогруппа при этом переходит на кофермент и образуется пиридоксаминфосфат .

на второй стадии к пиридоксаминфосфату присоединяется другая кетокислота, получает аминогруппу, образуется новая аминокислота и пиридоксальфосфат регенерирует.

Схема реакции трансаминирования

Роль и превращение пиридоксальфосфата сводится к образованию промежуточных соединений – шиффовых оснований (альдимин и кетимин). В первой реакции после отщепления воды образуется иминовая связь между остатком аминокислоты и пиридоксальфосфатом. Полученное соединение называется альдимин . Перемещение двойной связи приводит к образованиюкетимина , который гидролизуется водой по месту двойной связи. От фермента отщепляется готовый продукт – кетокислота.

Механизм реакции трансаминирования

После отщепления кетокислоты к комплексу пиридоксамин-фермент присоединяется новая кетокислота и процесс идет в обратном порядке: образуется кетимин, затем альдимин, после чего отделяется новая аминокислота.

Реакции полного цикла трансаминирования

Чаще всего аминокислоты взаимодействуют со следующими кетокислотами:

пировиноградной с образованием аланина,

щавелевоуксусной с образованием аспартата,

α-кетоглутаровой с образованием глутамата.

Однако аланин и аспартат в дальнейшем все равно передают свою аминогруппу на α-кетоглутаровую кислоту. Таким образом, в тканях осуществляется поток избыточных аминогрупп на один общий акцептор – α-кетоглутаровую кислоту. В итоге образуется большое количество глутаминовой кислоты .

Пиридоксальфосфат катализирует реакции трансаминирования и декарбоксилирования аминокислот ,

Трансаминирование играет важную роль в процессах мочевинообразования, глюконеогенеза, путях образования новых аминокислот.

Реакции трансаминирования имеют чрезвычайно важное биологическое значение, так как они являются весьма вероятным способом, обеспечивающим связь между углеводами и белками. [3 ]

В обмене веществ реакция трансаминирования играет важную и разнообразную роль. От нее зависят такие процессы, как 1) биосинтез аминокислот (трансаминированием завершается синтез не менее чем одиннадцати аминокислот); 2) распад аминокислот (см. ниже); 3) объединение путей углеводного и аминокислотного обмена и 4) синтез некоторых специфических соединений, в том числе мочевины и у-аминомасляной кислоты. [6 ]

Билет 51-другой вариант

Трансдезаминироваине - основной путь дезаминирования аминокислот. Оно происходит в два этапа. Первый - трансаминирование, т. е. перенос аминогруппы с любой аминокислоты на а-кетокислоту без промежуточного образования аммиака; второй - собственно окислительное дезаминирование аминокислоты. Поскольку в результате первого этапа аминогруппы «собира­ются» в составе глутаминовой кислоты, то второй этап связан с ее окислитель­ным дезаминированием. Рассмотрим каждый из этапов процесса трансдезаминирования.

Реакция трансаминирования обратима, она катализируется ферментами - аминотрансферазами, или трансаминазами. Источником аминогрупп в реакции трансаминирования служат не толь­ко природные а-аминокислоты, но и многие р-, у-, б- н s-амннокнслоты, а также амиды аминокислот - глутамин и аспарагин.

Большинство известных аминотрансфераз проявляют групповую специ­фичность, используя в качестве субстратов несколько аминокислот. Акцеп­тором аминогрупп в реакциях трансаминирования являются три а-кетокислоты: пируват, оксалоацетат и 2-оксоглутарат. Наиболее часто акцептором NH 2 -rpynn служит 2-оксоглутарат; при этом из него образуется глутаминовая кислота. При переносе аминогрупп на пируват или оксалоацетат образуются соответственно аланин или аспарагиновая кислота по уравнению

Далее NН 2 -группы с вланина и аспарагнновой кислоты переносятся на 2-оксоглутарат. Эту реакцию катализируют высокоактивные аминотрансфе­разы: аланикаминотрансфераза (АЛТ) и аспаргатаминотрансфераза (ACT), обладающие субстратной специфичностью:

Аминотрансферазы состоят из апофермента и кофермента. Коферментамн аминотрансфераз являются производные пиридоксина (витамина В 6) - пи-ридоксаль-5-фосфат (ПАЛФ) и пиридоксамин-5-фосфат (ПАМФ). Оба ко­фермента (см. строение их в гл. «Ферменты») обратимо переходят друг в друга в ходе реакции трансаминирования. Следует заметить, что аминотран­сферазы для катализа требуют оба кофермента в отличие от других фермен­тов, которые нуждаются в одном из них н бывают либо пиридоксальфосфат-зависимыми, либо пиридоксаминфосфатзависимыми.

Механизм реакций ферментативного трансаминирования аминокислот был предложен советскими биохимиками (А. Е. Браунштейн и М. М. Шемя­кин) и зарубежными (Метцлер, Икава и Снелл). Согласно этому механизму NH 2 -rpynna аминокислот на первой стадии взаимодействует с альдегидной группой пирндоксальфосфата О-СН-ПАЛФ с образованием промежуточных шиффовых оснований типа альдимина и затем его таутомерной формы ке-тимана H 3 N-СН г -ПАМФ (шиффово основание пиридоксаминофосфата):

Далее кетнмин гидролизуется с образованием кетоаналога исходной амино­кислоты и ПАМФ. На второй стадии ПАМФ взаимодействует с а-кетокисло-той (акцептором аминогрупп) и "все повторяется в обратном порядке, т. е. образуется сначала кетимин, затем альдимин. Последний гидролизуется. В результате образуются новая аминокислота и ПАЛФ. Таким образом, коферменты аминотрансфераз выполняют функцию переносчика аминогрупп путем" перехода из альдегидной формы в аминированную и обратно.

Биологический смысл реакций трансаминирования состоит в том, чтобы собрать аминогруппы всех распадающихся аминокислот в соста­ве молекул всего одного типа аминокислоты, а именно глутаминовой.

Реакции трансаминирования :

активируются в печени, мышцах и других органах при поступлении в клетку избыточного количества тех или иных аминокислот – с целью оптимизации их соотношения,

обеспечивают синтез заменимых аминокислот в клетке при наличии их углеродного скелета (кетоаналога),

начинаются при прекращении использования аминокислот на синтез азотсодержащих соединений (белков, креатина, фосфолипидов, пуриновых и пиримидиновых оснований) – с целью дальнейшего катаболизма их безазотистого остатка и выработки энергии,

необходимы при внутриклеточном голодании, например, при гипогликемиях различного генеза – для использования безазотистого остатка аминокислот в печени для кетогенеза и глюконеогенеза, в других органах – для его прямого вовлечения в реакции цикла трикарбоновых кислот.

при патологиях (сахарный диабет, гиперкортицизм) обуславливают наличие субстратов для глюконеогенеза и способствуют патологической гипергликемии.

Продукт трансаминирования глутаминовая кислота :

является одной из транспортных форм аминного азота в гепатоциты,

способна реагировать со свободным аммиаком, обезвреживая его.

Чтобы понять, что такое гликолиз, придется обратиться к греческой терминологии, потому что данный термин произошел от греческих слов: гликос – сладкий и лизис – расщепление. От слова Гликос происходит и название глюкозы. Таким образом, под данным термином подразумевается процесс насыщения глюкозы кислородом, в результате которого одна молекула сладкого вещества распадается на две микрочастицы пировиноградной кислоты. Гликолиз – это биохимическая реакция, происходящая в живых клетках, и направленная на расщепление глюкозы. Существует три варианта разложения глюкозы, и аэробный гликолиз – один из них.

Процесс этот состоит из целого ряда промежуточных химических реакций, сопровождаемых выделением энергии. В этом и кроется основная суть гликолиза. Высвобождаемая энергия расходуется на общую жизнедеятельность живого организма. Общая формула расщепления глюкозы выглядит так:

Глюкоза + 2НАД + + 2АДФ + 2Pi → 2 пируват + 2НАДH + 2Н + + 2АТФ + 2Н2O

Аэробное окисление глюкозы с последующим расщеплением ее шестиуглеродной молекулы осуществляется посредством 10 промежуточных реакций. Первые 5 реакций, объединяет подготовительная фаза подготовки, а последующие реакции направлены на образование АТФ. В ходе реакций образуются стереоскопические изомеры сахаров и их производные. Основное накопление энергии клетками происходит во второй фазе, связанной с образованием АТФ.

Этапы окислительного гликолиза. Фаза 1.

В аэробном гликолизе выделяются 2 фазы.

Первая фаза – подготовительная. В ней глюкоза вступает в реакцию с 2 молекулами АТФ. Эта фаза состоит из 5 последовательных ступеней биохимических реакций.

1-я ступень. Фосфорилирование глюкозы

Фосфорилирование, то есть процесс переноса остатков фосфорной кислоты в первой и последующих реакциях производится за счет молекул адезинтрифосфорной кислоты.

В первой ступени остатки фосфорной кислоты из молекул адезинтрифосфата переносятся в молекулярную структуру глюкозы. В ходе процесса получается глюкозо-6-фосфат. В качестве катализатора в процессе выступает гексокиназа, ускоряющая процесс с помощью ионов магния, выступающих в качестве кофактора. Ионы магния задействованы и в других реакциях гликолиза.

2-я ступень. Образование изомера глюкозо-6-фосфата

На 2-й ступени происходит изомеризация глюкозо-6-фосфата во фруктозу-6-фосфат.

Изомеризация – образование веществ, имеющих одинаковый вес, состав химических элементов, но обладающих разными свойствами вследствие различного расположения атомов в молекуле. Изомеризация веществ осуществляется под действием внешних условий: давления, температур, катализаторов.

В данном случае процесс осуществляется под действием катализатора фосфоглюкозоизомеразы при участии ионов Mg + .

3-я ступень. Фосфорилирование фруктозо-6-фосфата

На данной ступени происходит присоединение фосфорильной группы за счет АТФ. Процесс осуществляется при участии фермента фосфофруктокиназа-1. Этот фермент и предназначен только для участия в гидролизе. В результате реакции получаются фруктозо-1,6-бисфосфат и нуклеотид адезинтрифосфат.

АТФ – адезинтрифосфат, уникальный источник энергии в живом организме. Представляет собой довольно сложную и громоздкую молекулу, состоящую из углеводородных, гидроксильных групп, азота и групп фосфорной кислоты с одной свободной связью, собранных в нескольких циклических и линейных структурах. Высвобождение энергии происходит в результате взаимодействия остатков фосфорной кислоты с водой. Гидролиз АТФ сопровождается образованием фосфорной кислоты и выделением 40-60 Дж энергии, которую организм затрачивает на свою жизнедеятельность.

Но прежде должно произойти фосфорилирование глюкозы за счет молекулы Адезинтрифосфата, то есть перенос остатка фосфорной кислоты в глюкозу.

4-я ступень. Распад фруктозо-1,6-дифосфата

В четвертой реакции фруктозо-1,6-дифосфат распадается на два новых вещества.

• Диоксиацетонфосфат,
• Глицеральд альдегид-3-фосфат.

В данном химическом процессе в качестве катализатора выступает альдолаза, фермент, участвующий в энергетическом обмене, и необходимый при диагностировании ряда заболеваний.

5-я ступень. Образование триозофосфатных изомеров

И, наконец, последний процесс – изомеризация триозофосфатов.

Глицеральд-3-фосфат продолжит участвовать в процессе аэробного гидролиза. А второй компонент – диоксиацетон фосфат при участии фермента триозофосфатизомеразы преобразуется в глицеральдегид-3-фосфат. Но трансформация эта – обратимая.

Фаза 2. Синтез Адезинтрифосфата

В данной фазе гликолиза будет аккумулироваться в виде АТФ биохимическая энергия. Адезинтрифосфат образуется из адезиндифосфата за счет фосфорилирования. А также образуется НАДН.

Аббревиатура НАДН имеет очень сложную и труднозапоминаемую для неспециалиста расшифровку – Никотинамидадениндинуклеотид. НАДН – это кофермент, небелковое соединение, участвующее в химических процессах живой клетки. Он существует в двух формах:

1. окисленной (NAD + , NADox);
2. восстановленной (NADH, NADred).

В обмене веществ NAD принимает участие в окислительно-восстановительных реакциях транспортируя электроны из одного химического процесса в другой. Отдавая, или принимая электрон, молекула преобразуется из NAD + в NADH, и наоборот. В живом организме НАД вырабатывается из триптофана или аспартата аминокислот.

Две микрочастицы глицеральдегид-3-фосфата подвергаются реакциям, в ходе которых образуется пируват, и 4 молекулы АТФ. Но конечный выход адезинтрифосфата составит 2 молекулы, поскольку две затрачены в подготовительной фазе. Процесс продолжается.

6-я ступень – окисление глицеральдегид-3-фосфата

В данной реакции происходит окисление и фосфорилирование глицеральдегид-3-фосфата. В итоге получается 1,3-дифосфоглицериновая кислота. В ускорении реакции участвует глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа

Реакция происходит при участии энергии, полученной извне, поэтому она называется эндергонической. Такие реакции протекают параллельно с экзергоническими, то есть выделяющими, отдающими энергию. В данном случае такой реакцией служит следующий процесс.

7-я ступень. Перемещение фосфатной группы с 1,3-дифосфоглицерата на адезиндифосфат

В этой промежуточной реакции фосфорильная группа переносится фосфоглицераткиназой с 1,3-дифосфоглицерата на адезиндифосфат. В итоге получаются 3-фосфоглицерат и АТФ.

Фермент фосфоглицераткиназа приобрел свое название за способность катализировать реакции в обоих направлениях. Этот фермент также транспортирует фосфатный остаток с адезинтрифосфата на 3-фосфоглицерат.

6-я и 7-я реакции часто рассматриваются как единый процесс. 1,3-дифосфоглицерат в нем рассматривается как промежуточный продукт. Вместе 6-я и 7-я реакции выглядят так:

Глицеральдегид-3-фосфат+ADP+Pi +NAD+⇌3 -фосфоглицерат+ATP+NADH+Н+,ΔG′о = −12,2 кДж/моль.

И суммарно эти 2 процесса освобождают часть энергии.

8-я ступень. Перенесение фосфорильной группы с 3-фосфоглицерата.

Получение 2-фосфоглицерата – процесс обратимый, происходит под каталитическим действием фермент фосфоглицератмутазы. Фосфорильная группа переносится с двухвалентного атома углерода 3-фосфоглицерата на трехвалентный атом 2-фосфоглицерата, в итоге образуется 2-фосфоглицериновая кислота. Реакция проходит при участи положительно заряженных ионов магния.

9-я ступень. Выделение воды из 2-фосфоглицерата

Эта реакция в своей сути является второй реакцией расщепления глюкозы (первой была реакция 6-й ступени). В ней фермент фосфопируватгидратаза стимулирует отщепление воды от атома С, то есть процесс элиминирования из молекулы 2-фосфоглицерата и образование фосфоенолпирувата (фосфоенолпировиноградной кислоты).

10-я и последняя ступень. Перенос фосфатного остатка с ФЕП на АДФ

В заключительной реакции гликолиза задействованы коферменты – калий, магний и марганец, в качестве катализатора выступает фермент пируваткиназа.

Преобразование енольной формы пировиноградной кислоты в кето-форму является обратимым процессом, и в клетках присутствуют оба изомера. Процесс перехода изометрических веществ из одного в другой называется таутомеризацией.

Что такое анаэробный гликолиз?

Наряду с аэробным гликолизом, то есть расщеплением глюкозы при участии О2 , существует и так называемый анаэробный распад глюкозы, в котором кислород не участвует. Он также состоит из десяти последовательных реакций. Но где протекает анаэробный этап гликолиза, связан ли он с процессами кислородного расщепления глюкозы, или это самостоятельный биохимический процесс, попробуем в этом разобраться.

Анаэробный гликолиз – это распад глюкозы при отсутствии кислорода с образованием лактата. Но в процессе образования молочной кислоты НАДН в клетке не накапливается. Этот процесс осуществляется в тех тканях и клетках, которые функционируют в условиях кислородного голодания – гипоксии. К таким тканям в первую очередь относятся скелетные мышцы. В эритроцитах, несмотря на наличие кислорода, тоже в процессе гликолиза образуется лактат, потому что в кровяных клетках отсутствуют митохондрии.

Анаэробный гидролиз протекает в цитозоле (жидкой части цитоплазмы) клеток и является единственным актом, продуцирующим и поставляющим АТФ, поскольку в данном случае окислительное фосфорилирование не работает. Для окислительных процессов нужен кислород, а его в анаэробном гликолизе нет.

И пировиноградная, и молочная кислоты служат источниками энергии, для выполнения мышцами определенных задач. Излишки кислот поступают в печень, где под действием ферментов снова превращаются в гликоген и глюкозу. И процесс начинается снова. Недостаток глюкозы восполняется питанием – употреблением сахара, сладких фруктов, и иных сладостей. Так что нельзя в угоду фигуре совсем отказываться от сладкого. Сахарозы нужны организму, но в меру.

Гликолиз (от греч. glycus - сладкий и lysis - растворение, распад) - сложный ферментативный процесс превращения глюкозы, протекающий в тканях человека и животных без потребления кислорода. Конечным продуктом гликолиза является молочная кислота. В процессе гликолиза образуется также АТФ. Суммарное уравнение гликолиза можно изобразить следующим образом:

В анаэробных условиях гликолиз - единственный процесс в животном организме, поставляющий энергию. Именно благодаря процессу гликолиза организм человека и животных определенный период времени может осуществлять ряд физиологических функций в условиях недостаточности кислорода. В тех случаях, когда гликолиз протекает в присутствии кислорода, говорят об аэробном гликолизе. (В аэробных условиях гликолиз можно рассматривать как первую стадию окисления глюкозы до конечных продуктов этого процесса - углекислоты и воды. )

Впервые термин «гликолиз» применил Лепин в 1890 г. для обозначения процесса убыли глюкозы в крови, изъятой из кровеносной системы, т. е. in vitro.

У ряда микроорганизмов процессами, аналогичными гликолизу, являются различные виды брожения .

Последовательность реакций гликолиза, так же как и их промежуточные продукты, хорошо изучена. Процесс гликолиза катализируется одиннадцатью ферментами, большинство из которых выделено в гомогенном, кристаллическом или высокоочищенном виде и свойства которых достаточно изучены. Заметим, что гликолиз протекает в гиалоплазме клетки. В табл. 27 приведены данные относительно скорости анаэробного гликолиза в различных тканях крысы.

Первой ферментативной реакцией гликолиза является фосфорилирование, т. е. перенос остатка ортофосфата на глюкозу за счет АТФ. Реакция катализируется ферментом гексокиназой:

Образование глюкозо-6-фосфата в гексокиназной реакции связано с освобождением значительного количества свободной энергии системы и может считаться практически необратимым процессом.

Фермент гексокиназа способен катализировать фосфорилирование не только D-глюкозы, но и других гексоз, в частности D-фруктозы, D-маннозы и др.

Второй реакцией гликолиза является превращение глюкозо-6-фосфата под действием фермента гексозофосфатизомеразы во фруктозо-6-фосфат:

Эта реакция протекает легко в обоих направлениях и не нуждается в присутствии каких-либо кофакторов.

В третьей реакции образовавшийся фруктозо-6-фосфат вновь фосфорилируется за счет второй молекулы АТФ. Реакция катализируется ферментом фосфофруктокиназой:

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

Фосфофруктокиназа относится к числу аллостерических ферментов. Она ингибируется АТФ и стимулируется АДФ и АМФ. (Активность фосфофруктокиназы ингибируется также цитратом. Показано, что при диабете, голодании и некоторых других состояниях, когда интенсивно используются жиры как источник энергии, в клетках тканей содержание цитрата может возрастать в несколько раз. В этих условиях происходит резкое торможение активности фосфофруктокиназы цитратом. ). При значительных величинах отношения АТФ/АДФ (что достигается в процессе окислительного фосфорилирования) активность фосфофруктокиназы угнетается и гликолиз замедляется. Напротив, при снижении этого коэффициента интенсивность гликолиза повышается. Так, в неработающей мышце активность фосфофруктокиназы низкая, а концентрация АТФ относительно высокая. Во время работы мышцы происходит интенсивное потребление АТФ и активность фосфофруктокиназы повышается, что приводит к усилению процесса гликолиза.

Четвертую реакцию гликолиза катализирует фермент альдолаза. Под влиянием этого фермента фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется на две фосфотриозы:

Эта реакция обратима. В зависимости от температуры равновесие устанавливается на различном уровне. В целом же при повышении температуры реакция сдвигается в сторону большего образования триозофосфатов (диоксиацетонфосфата и глицеральдегид-3-фосфата).

Пятая реакция - реакция изомеризации триозофосфатов. Катализируется эта реакция ферментом триозофосфатизомеразой:

Равновесие данной изомеразной реакции сдвинуто в сторону дигидроксиацетонфосфата: 95% дигидроксиацетонфосфата и около 5% глицеральдегид-3-фосфата. Однако в последующие реакции гликолиза может непосредственно включаться только один из двух образующихся триозофосфатов, а именно глицеральдегид-3-фосфат. Вследствие этого по мере потребления в ходе дальнейших превращений альдегидной формы фосфотриозы дигидроксиацетонфосфат превращается в глицеральдегид-3-фосфат.

Образованием глицеральдегид-3-фосфата как бы завершается первая стадия гликолиза. Вторая стадия - наиболее сложная и важная часть гликолиза. Она включает окислительно-восстановительную реакцию (гликолитическую оксидоредукцию), сопряженную с субстратным фосфорилированием, в процессе которого образуется АТФ.

В шестой реакции глицеральдегид-3-фосфат в присутствии фермента глицеральдегидфосфатдегидрогеназы (дегидрогеназой 3-фосфоглицеринового альдегида ), кофермента НАД и неорганического фосфата подвергается своеобразному окислению с образованием 1,3-дифосфоглицериновой кислоты и восстановленной формы НАД (НАДН 2). Эта реакция блокируется йод- или бромацетатом, протекает она в несколько этапов. Суммарно данную реакцию можно изобразить в следующем виде:

1,3-Дифосфоглицериновая кислота представляет собой высокоэнергетическое соединение. Механизм действия глицеральдегид-фосфатдегидрогеназы сводится к следующему: в присутствии неорганического фосфата НАД выступает как акцептор водорода, отщепляющегося от глицеральдегид-3-фосфата. В процессе образования НАДН 2 глицеральдегид-3-фосфат связывается с молекулой фермента за счет SH-групп последнего. Образовавшаяся связь богата энергией, но она непрочна и расщепляется под влиянием неорганического фосфата. При этом образуется 1,3-дифосфоглицериновая кислота.

В седьмой реакции, которая катализируется фосфоглицераткиназой, происходит передача богатой энергией фосфатного остатка (фосфатной группы в положении 1) на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицериновой кислоты (3-фосфоглицерата):

Таким образом, благодаря действию двух ферментов (глицеральдегидфосфатдегидрогеназы и фосфоглицераткиназы) энергия, высвобождающаяся при окислении альдегидной группы глицеральдегид-3-фосфата до карбоксильной группы, запасается в форме энергии АТФ.

В восьмой реакции происходит внутримолекулярный перенос оставшейся фосфатной группы и 3-фосфоглицериновая кислота превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту (2-фосфоглицерат).

Реакция легкообратима, протекает в присутствии ионов Mg 2+ . Кофактором фермента является также 2,3-дифосфоглицериновая кислота, аналогично тому, как в фосфоглюкомутазной реакции роль кофактора выполнялась глюкозо-1,6-дифосфатом:

В девятой реакции 2-фосфоглицериновая кислота в результате отщепления молекулы воды переходит в фосфоенолпировиноградную кислоту (фосфоенолпируват). При этом фосфатная связь в положении 2 становится высокоэргической. Реакция катализируется ферментом енолазой:

Енолаза активируется двухвалентными катионами Mg 2+ или Мn 2+ и ингибируется фторидом.

В десятой реакции происходят разрыв высокоэргической связи и перенос фосфатного остатка от фосфоенолпировиноградной кислоты на АДФ. Катализируется эта реакция ферментом пируваткиназой:

Для действия пируваткиназы необходимы Mg 2+ или Мn 2+ , а также одновалентные катионы щелочных металлов (К + или другие). Внутри клетки реакция является практически необратимой.

В одиннадцатой реакции в результате восстановления пировиноградной кислоты образуется молочная кислота. Реакция протекает при участии фермента лактатдегидрогеназы и кофермента НАДН 2+ :

В целом последовательность протекающих при гликолизе реакций может быть представлена в следующем виде (рис. 84).

Реакция восстановления пирувата завершает внутренний окислительно-восстановительный цикл гликолиза. При этом НАД здесь играет роль лишь промежуточного переносчика водорода от глицеральдегид-3-фосфата (шестая реакция) на пировиноградную кислоту (одиннадцатая реакция). Ниже схематично изображена реакция гликолитической оксидоредукции, а также указаны этапы, на которых происходит образование АТФ (рис. 85).

Биологическое значение процесса гликолиза прежде всего заключается в образовании богатых энергией фосфорных соединений. В первой стадии гликолиза затрачиваются две молекулы АТФ (гексокиназная и фосфофруктокиназная реакции). Во второй стадии образуются четыре молекулы АТФ (фосфоглицераткиназная и пируваткиназная реакции).

Таким образом, энергетическая эффективность гликолиза составляет две молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы.

Известно, что изменение свободной энергии при расщеплении глюкозы до двух молекул молочной кислоты составляет около 210 кДж/моль:

Из этого количества энергии около 126 кДж рассеивается в виде тепла, а 84 кДж накапливаются в форме богатых энергией фосфатных связей АТФ. Концевая макроэргическая связь в молекуле АТФ соответствует примерно 33,6-42,0 кДж/моль. Таким образом, коэффициент полезного действия анаэробного гликолиза составляет около 0,4.

Величины изменения свободной энергии точно определены для отдельных реакций гликолиза в интактных эритроцитах человека. Установлено, что восемь реакций гликолиза близки к равновесию, а три реакции (гексокиназная, фосфофруктокиназная, пируваткиназная) далеки от него, поскольку они сопровождаются значительным уменьшением свободной энергии, т. е. практически являются необратимыми.

Как уже отмечалось, основной лимитирующей скорость гликолиза реакцией является реакция, катализируемая фосфофруктокиназой. Вторым этапом, лимитирующим скорость и регулирующим гликолиз, служит гексокиназная реакция. Кроме того, контроль гликолиза осуществляется также лактатдегидрогеназой (ЛДГ) и ее изоферментами. В тканях с аэробным метаболизмом (ткани сердца, почек и др.) преобладают изоферменты ЛДГ 1 и ЛДГ 2 . Эти изоферменты ингибируются даже небольшими концентрациями пирувата, что препятствует образованию молочной кислоты и способствует более полному окислению пирувата (точнее, ацетил-КоА) в цикле трикарбоновых кислот.

В тканях человека, в значительной степени зависящих от энергии, образующейся в процессе гликолиза (например, скелетные мышцы), главными изоферментами являются ЛДГ 5 и ЛДГ 4 . Активность ЛДГ 5 максимальна при тех концентрациях пирувата, которые ингибируют ЛДГ 1 . Преобладание изоферментов ЛДГ 4 и ЛДГ 5 обусловливает интенсивный анаэробный гликолиз с быстрым превращением пирувата в молочную кислоту.

Включение других углеводов в процесс гликолиза

Эффект Пастера

Снижение скорости потребления глюкозы и прекращение накопления лактата в присутствии кислорода носит название эффекта Пастера. Впервые это явление наблюдал Л. Пастер во время своих широко известных исследований, касающихся роли брожения в производстве вина. В дальнейшем было показано, что эффект Пастера наблюдается также в животных и растительных тканях, где O 2 тормозит анаэробный гликолиз. Значение эффекта Пастера, т. е. перехода в присутствии O 2 от анаэробного гликолиза или брожения к дыханию, состоит в переключении клетки на более экономный путь получения энергии. В результате скорость потребления субстрата, например глюкозы, в присутствии O 2 снижается. Молекулярный механизм эффекта Пастера заключается, по-видимому, в конкуренции между системами дыхания и гликолиза (брожения) за аденозиндифосфат (АДФ), используемый для образования аденозинтрифосфата (АТФ). Как мы уже знаем, в аэробных условиях значительно эффективнее, чем в анаэробных, происходят удаление Ф н и АДФ, генерация АТФ, а также удаление восстановленного НАД (НАДН 2). Иными словами, уменьшение в присутствии кислорода количества Ф н и АДФ и соответствующее увеличение количества АТФ ведут к подавлению анаэробного гликолиза.

Гликогенолиз

Процесс анаэробного распада гликогена получил название гликогенолиза. Вовлечение D-глюкозных единиц гликогена в процесс гликолиза происходит при участии трех ферментов - гликогенфосфорилазы,(или фосфорилазы «а»), амило-1,6-глюкозидазы и фосфоглюкомутазы.

Образовавшийся в ходе фосфоглюкомутазной реакции глюкозо-6-фосфат может включаться в процесс гликолиза. После образования глюкозо-6-фосфата дальнейшие пути гликолиза и гликогенолиза полностью совпадают:

В процессе гликогенолиза в виде макроэргических соединений накапливаются не две, а три молекулы АТФ (не тратится АТФ на образование глюкозо-6-фосфата). На первый взгляд, энергетически эффективность гликогенолиза может считаться несколько более высокой по сравнению с процессом гликолиза. Однако надо иметь в виду, что в процессе синтеза гликогена в тканях расходуется АТФ, поэтому в энергетическом плане гликогенолиз и гликолиз практически равноценны.

В этой статье мы подробно рассмотрим аэробный гликолиз, его процессы, разберем стадии и этапы. Ознакомимся с анаэробным узнаем об эволюционных видоизменениях данного процесса и определим его биологическое значение.

Что такое гликолиз

Гликолиз - это одна из трех форм окисления глюкозы, при котором сам процесс окисления сопровождается выделением энергии, которая запасается в НАДН и АТФ. В процессе гликолиза из молекулы две молекулы кислоты пировиноградной.

Гликолиз - это процесс, происходящий под воздействием различных биологических катализаторов - ферментов. Главным окислителем служит кислород - О 2 , однако процессы гликолиза могут протекать и в его отсутствие. Такой вид гликолиза называют - анаэробный гликолиз.

Процесс гликолиза при отсутствии кислорода

Анаэробный гликолиз - ступенчатый процесс окисления глюкозы, при котором глюкоза окисляется не полностью. Образуется одна молекула пировиноградной кислоты. А с энергетической точки зрения, гликолиз без участия кислорода (анаэробный) является менее выгодным. Однако при поступлении кислорода в клетку анаэробный процесс окисления может превращаться в аэробный и протекать в полноценной форме.

Механизмы гликолиза

Процесс гликолиза - это разложение шестиуглеродной глюкозы на пируват трехуглеродный в виде двух молекул. Сам процесс разделяется на 5 этапов подготовки и 5 этапов, при которых запасается энергия в АТФ.

Процесс гликолиза из 2 стадий и 10 этапов выглядят следующим образом:

• 1 стадия, этап 1 - фосфорилирование глюкозы. По шестому атому углерода в глюкозе, сам сахарид активируют через фосфорилирование.
• Этап 2 - изомеризация глюкозы-6-фосфата. На этом этапе фосфоглюкозоимераза каталитический обращает глюкозу во фруктозу-6-фосфат.
• Этап 3 - Фруктоза-6-фосфат и её фосфорилирование. Этот этап заключается в образовании фруктозо-1,6-дифосфата (альдолаза) путем воздействия фосфофруктокиназы-1, которая сопровождает фосфорильную группу от аденозинтрифосфорной кислоты к молекуле фруктозы.
• Этап 4 - это процесс расщепления альдолазы с образованием двух молекул триозофосфата, а именно эльдозы и кетозы.
• Этап 5 - триозофосфаты и их изомеризация. На этом этапе глицеральдегид-3-фосфат отправляется на последующие этапы расщепления глюкозы, а дигидроксиацетонфосфат переходит в форму глицеральдегид-3-фосфата под воздействием фермента.
• 2 стадия, этап 6 (1) - Глицеральдегид-3-фосфат и его окисление - этап в котором данная молекула окисляется и фосфорилируется до дифосфоглицерата-1,3.
• Этап 7 (2) - направлен на перенос группы фосфатов на АДФ с 1,3-дифосфоглицерата. Конечными продуктами данного этапа являются образование 3-фосфоглицерата и АТФ.
• Этап 8 (3) - переход от 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат. Этот процесс происходит под воздействием фермента фосфоглицератмутаза. Обязательным условием протекания химической реакции является наличие магния (Mg).
• Этап 9 (4) - 2 фосфоглицерта дегидратируется.
• Этап 10 (5) - в АДФ и ФЕП переносятся фосфаты, полученные в результате прохождения предыдущих этапов. Энергия с фосфоэнулпировата переносится на АДФ. Для протекания реакции необходимо наличие ионов калия (K) и магния (Mg).

Видоизмененные формы гликолиза

Процесс гликолиза способен сопровождаться дополнительной выработкой 1,3 и 2,3-бифосфоглицератов. 2,3-фосфоглицерат под влиянием биологических катализаторов способен возвращаться в гликолиз и переходить в форму 3-фосфоглицерата. Роль данных ферментов разнообразная, например, 2,3-бифосфоглицерат, находясь в гемоглобине, заставляет кислород переходить в ткани, способствуя диссоциации и понижая сродство О 2 и эритроцитов.

Многие бактерии изменяют формы гликолиза на различных этапах, сокращая их общее количество или видоизменяя их под воздействием разных ферментов. Небольшая часть анаэробов имеет другие методы углеводного разложения. Многие термофилы вовсе имеют лишь 2 фермента гликолиза, это енолаза и пируваткиназа.

Гликоген и крахмал, дисахариды и другие виды моносахаридов

Аэробный гликолиз - это процесс, свойственный и другим видам углеводов, а конкретно он присущ крахмалу, гликогену, большинству дисахаридов (маноза, галактоза, фруктоза, сахароза и другие). Функции всех видов углеводов в целом направлены на получение энергии, но могут различаться спецификой своего назначения, использования и т. д. Например, гликоген поддается гликогенезу, что по сути, является фосфолитическим механизмом, нацеленным на получение энергии при расщеплении гликогена. Сам же гликоген может запасаться в организме как резервный источник энергии. Так, например, глюкоза, получаемая во время приёма пищи, но не усвоившаяся мозгом, накапливается в печени и будет использована при недостатке глюкозы в организме с целью защитить индивид от серьезных сбоев гомеостаза.

Значение гликолиза

Гликолиз - это уникальный, однако не единственный вид окисления глюкозы в организме, клетке как прокариотов, так и эукариотов. Ферменты гликолиза являются водорастворимыми. Реакция гликолиза в некоторых тканях и клетках может происходить только таким образом, например, в мозгу и клетках нефронов печени. Другие способы окисления глюкозы в этих органах не используются. Однако не везде функции гликолиза одинаковы. Например, жировые ткани и печени в процессе пищеварения добывают необходимые субстраты из глюкозы для синтеза жиров. Многие растения используют гликолиз как способ добычи основной части энергии.

Глюкоза + 2 АДФ + 2 НАД + + 2 H 3 PO 4  2 Пируват + 2АТФ + 2 НАДН + 2 Н +

Челночные механизмы.

Перенос водорода с цитозольного НАДН в митохондрии происходит при участии специальных механизмов, называющихся челночными. Суть этих механизмов сводится к тому, что НАДН в цитозоле восстанавливает некоторое соединение, способное проникать в митохондрию; в митохондрии это соединение окисляется, восстанавливая внутримитохондриальный НАД + , и вновь переходит в цитозоль. Самая активная малат-аспартатная система, действующая в митохондриях печени, почек и сердца. На каждую пару электронов цитозольной НАДН, переданную на кислород по этой системе, образуется 3 молекулы АТФ.

В скелетных мышцах и мозге перенос восстановительных эквивалентов от цитозольной НАДН осуществляет глицеролфосфатная система. При этом восстановительные эквиваленты передаются в цепь переноса электронов через комплекс II, и поэтому синтезируется только 2 молекулы АТФ.

Выход атф при аэробном гликолизе.

Основное физиологическое значение аэробного распада глюкозы заключается в использовании ее энергии для синтеза АТФ.

В наибольшей зависимости от аэробного гликолиза находится мозг. Он расходует 100 г глюкозы в сутки. В состоянии основного обмена около 20% кислорода потребляется мозгом. Поэтому недостаток глюкозы или кислорода проявляется, прежде всего, симптомами со стороны центральной нервной системы - головокружением, потерей сознания, судорогами.

Анаэробный гликолиз.

При аэробных условиях продуктом гликолиза в тканях является пируват, а НАДН, образовавшийся в ходе окисления, реокисляется за счет молекулярного кислорода. В анаэробных условиях, т. е. при недостатке кислорода в тканях, например в напряженно работающих скелетных мышцах, образовавшийся НАДН реокисляется не за счет кислорода, а за счет пирувата, восстанавливающегося при этом в лактат (молочную кислоту). Восстановление пирувата до лактата катализирует изофермент лактатдегидрогеназа .

Лактатдегидрогеназа представляет собой тетрамер, содержащий протомеры двух типов - М (muscle) и Н (heart). Известно 5 изоферментов, различающихся набором протомеров.

Изомерные формы ЛДГ 1 и ЛДГ 2 обнаруживаются в мозге, сердце, корковом веществе почек, т.е. в тканях с интенсивным снабжением кислородом. Форма ЛДГ 3 - в поджелудочной железе, ЛДГ 4 и ЛДГ 5 в скелетных мышцах, печени, мозговом веществе почек, т.е. в тканях с менее интенсивным снабжением кислородом. Все эти формы ферментов значительно различаются максимальной скоростью реакции и константами Михаэлиса для лактата и пирувата. ЛДГ 5 быстро катализирует восстановление пирувата в лактат при низких концентрациях лактата. ЛДГ 1 катализирует быстрое окисление лактата в пируват в сердечной мышце.

← Вернуться