Обмен углеводов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обмен углеводов

Вопросы

1. Глюконеогенез

2. Анаэробое окисление углеводов (гликолиз). Спиртовое и молочнокислое брожение

3. Аэробное окисление углеводов (цикл Кребса)

4. Глиоксилатный цикл

Литература

1. Глюконеогенез

Жизнь на Земле возникла в атмосфере, не содержащей кислорода, поэтому и процессы метаболизма осуществлялись без участия кислорода (анаэробно). До сих пор существуют отдельные группы микроорганизмов, которые живут в бескислородных условиях, и обмен веществ у них анаэробный. При анаэробном расщеплении органические вещества не разлагаются до простых конечных продуктов, поэтому высвобождается мало энергии, у большинства организмов расщепление органических веществ происходит в присутствии кислорода - аэробный обмен. В результате такого обмена остаются бедные энергией конечные продукты (СО2 и H2О), но высвобождается много энергии. Процессы аэробного обмена называют дыханием, анаэробного - брожением.

Высвободившаяся в процессах анаэробного и аэробного расщепления веществ энергия аккумулируется и передается с помощью высокоэнергических соединений, прежде всего АТФ. Важнейшими субстратами для осуществления дыхания и большинства видов брожения служат углеводы. Кроме того, при дыхании могут использоваться также белки и жиры, а при брожении - спирты и органические кислоты. Из-за малого выхода энергии клетки, осуществляющие брожение, должны расходовать большие количества субстрата, чем клетки, осуществляющие дыхание. глюконеогенез анаэробный углевод кребс

В эволюционном процессе первыми появились анаэробные микроорганизмы, и механизмы расщепления углеводов возникали у них. Но так как в природе новые механизмы возникают на основе более ранних, то и при аэробном расщеплении углеводов первые этапы сходны с процессами, наблюдаемыми у анаэробных организмов. Так, расщепление углеводов начинается с гликолиза, после чего пути дыхания и брожения расходятся. В результате гликолиза из одной молекулы глюкозы образуются по две молекулы пирувата, АТФ и НАДН2.

Совокупность всех происходящих химических, физических, коллоидных и других процессов, происходящих в организме с момента рождения и на протяжении его онтогенеза до конца жизни, представляет собой биологический обмен веществ, называемый «обмен веществ», его также называют метаболизмом. В метаболизме различают два вида химических превращений: катаболизм и анаболизм. Реакции расщепления с выделением энергии составляют основу катаболизма. При катаболизме высокомолекулярные органические вещества распадаются до простых веществ в результате ферментативных реакций гидролиза, фосфоролиза, окисления с одновременным выделением свободной химической энергии, используемой затем на процессы жизнедеятельности. При анаболизме происходят реакции синтеза образования сложных высокомолекулярных веществ, входящих в ткани организма.

Все синтетические процессы (анаболические пути) происходят с использованием энергии, поставляемой в ходе реакций диссимиляции (катаболизма). Сами же реакции расщепления происходят при участии ферментов, синтезируемых в процессе ассимиляции. Процессы анаболического и катаболического обмена неразрывно связаны между собой, составляют две стороны единого комплекса реакций.

Обмен веществ осуществляется при одновременном и адекватном наличии следующих приоритетных субстанций: белков, нуклеиновых веществ, воды и ферментов. Выпадение любой из них приводит к прекращению биохимических процессов, остановке обмена веществ.

Кроме основополагающих белков, воды и ферментов, в биологическом обмене участвуют многие другие вещества. Метаболизм включает в себя следующие реакции, происходящие в живом организме: окисление, восстановление, расщепление, объединение молекул, межмолекулярный перенос и другие. Особенность совокупности этого огромного числа разнообразных реакций в живом организме - скоординированность отдельных реакций во времени и пространстве, строгая их последовательность, ступенчатость и сопряженность.

Глюконеогенез -- синтез глюкозы из неуглеводных продуктов. Такими продуктами или метаболитами являются в первую очередь молочная и пировиноградная кислоты, так называемые гликогенные аминокислоты, глицерол и ряд других соединений. Иными словами, предшественниками глюкозы в глюконеогенезе могут быть пируват или любое соединение, превращающееся в процессе катаболизма в пируват или один из промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот. У позвоночных наиболее интенсивно глюконеогенез протекает в клетках печени и почек (корковое вещество).

Большинство стадий глюконеогенеза представляет собой обращение реакций гликолиза. Только три реакции гликолиза (гексокиназная, фосфофруктокиназная и пируваткиназная) необратимы, поэтому в процессе глюконеогенеза на трех этапах используются другие ферменты. Рассмотрим путь синтеза глюкозы из пирувата.

Биологическая роль глюконеогенеза:

1. Поддержание уровня глюкозы в крови. При длительном голодании (голодание более суток) глюконеогенез является единственным процессом, поставляющим глюкозу в кровь.

2. Возвращение лактата в метаболический фонд углеводов. Лактат, образующийся в процессе анаэробного окисления глюкозы в эритроцитах и скелетных мышцах, транспортируется кровью в печень и превращается в гепатоцитах в глюкозу. Это так называемый межорганный цикл Кори.

Схема синтеза глюкозы (глюконеогенеза) из неуглеводных предшественников

2. Анаэробное расщепление углеводов (гликолиз). Спиртовое и молочнокислое брожение

Гликолиз - процесс распада глюкозы (шестиуглеродного соединения) на два трехуглеродных в анаэробных условиях («лизис» -- распад). Гликолиз в качестве начальной стадии дыхания почти универсален для растительных и животных клеток, а также клеток многих микроорганизмов.

В то же время последовательности гликолитических реакций у разных организмов отличаются скоростью регуляции отдельных реакций, а также использованием в метаболических процессах конечного продукта гликолиза пировиноградной кислоты. Источником углеводов и основным запасным полисахаридом у растений является крахмал, а у животных и микроорганизмов -- гликоген. При использовании в процессе дыхания запасные полисахариды предварительно подвергаются гидролизу: крахмал гидролизуется до глюкозы, а гликоген - до глюкозо-6-фосфата. Образовавшиеся низкомолекулярные продукты - гексозы подвергаются в дальнейшем окислению с выделением энергии.

Гликолиз включает две стадии и состоит из 10 последовательных реакций.

Первая стадия гликолиза - это фосфорилирование глюкозы и ее превращение в глицеральдегид- З- фосфат.

В результате первой пусковой реакции вследствие присоединения к шестому углеродному атому фосфорной кислоты от АТР происходит активирование молекулы глюкозы и расходуется одна молекула AT Р.

Реакции катализируется ферментом гексокиназой, которая относится к классу трансфераз. Гексокиназа присутствует почти во всех животных, растительных и микробиальных клетках. Для протекания реакции необходимы ионы магния.

Затем происходит изомеризация глюкозо-6-фосфата.

Вторая пусковая реакция протекает с расходованием АТР.

Фосфофруктокиназа - это трансфераза, которая осуществляет перенос фосфатной группы от молекулы АТР к первому углеродному атому фруктозофосфата, в результате чего образуется фруктозо-1,6-днфосфат. Для проявления активности этого фермента требуются ионы магния.

Дигидрооксиацстонфосфат (фосфодиоксиацетон) образуется из первых трех атомов глюкозы, а глицеральдегид-3-фосфат от последних трех углеродных атомов. Реакции катализирует фруктозодифосфатальдолазой, которую чаше называют альдолазой. Эта реакция представляет собой обратимую альдольную конденсацию.

Так как продукты прямой реакции вовлекаются в дальнейшие превращения, то при окислении глюкозы реакция идет преимущественно в сторону расщепления фруктозо-1,6-дифосфата.

В дальнейших превращениях принимает участие только глицеральдегид, так как дигидрооксиацетонфосфат (фосфодиоксиацетон) изомеризуется в глицеральдегид-3-фосфат, и потому в дальнейшем все превращения проходят с коэффициентом 2, так как в итоге молекулы фруктозо-1,6-дифосфата образуются две молекулы глицеральдегид-3-фосфата:

На этом завершается первая стадия гликолиза, которая заключается в активировании гексоз и распаде углеродного скелета глюкозы на две молекулы глицеральдегид-З-фосфата.

Вторая стадия гликолиза. Это превращение глицеральдегид-3-фосфата в пировиноградную кислоту.

Катализатором этой реакции является глицеральлегидфосфатдегидрогеназа, ее кофермент -- NAD*. Этот фермент выделен из дрожжей в кристаллическом виде, состоит из 4 субъединиц. Каждая субъединица имеет молекулярную массу 35 000 Да и содержит одну молекулу NAD'. Фермент содержит свободные сулъфгидрильные группы, которые участвуют в каталитической реакции.

В итоге образуется 3-фосфоглицероилфосфат, сохраняющий в себе значительную часть энергии, которая высвободилась при окислении альдегидной группы глицеральдегид-3-фосфата. Кофермент NAD+ восстанавливается до NADH+Н+. Это первая реакция, сопровождающаяся образованием АТР.

Реакция катализируется ферментом енолазой, пол действием которого происходит отщепление воды от 2-фосфоглицерата. В результате дегидратации происходит перераспределение энергии внутри молекулы 2-фосфоглниерата и в месте присоединения остатка фосфорной кислоты возникает высокоэнергетическая связь.

Фермент пируваткиназа -- трансфераза, переносящая остаток фосфорной кислоты. Этот фермент активизируется ионами калия и магния или марганца. Это вторая реакция, сопровождающаяся образованием АТР.

10. В результате предыдущей реакции образуется неустойчивая енольная форма пировиноградной кислоты (пирувата), которая неферментативным путем переходит в кетоформу:

Процесс гликолиза завершен.

Продукт гликолиза (пировиноградная кислота или пируват) может использоваться тремя способами. У аэробных организмов гликолиз составляет лишь первую часть расщепления глюкозы до CO2 и Н2О. В этом случае пируват подвергается окислительному декарбоксилированию - теряет СО2, а двухуглеродный фрагмент (ацетильная группа) включается в ацетилкофермент А и в дальнейшем окисляется в цикле лимонной кислоты до СО2 и Н2О с участием молекулярного кислорода воздуха.

В анаэробных условиях при молочнокислом брожении пировиноградная кислота восстанавливается образовавшимся при гликолизе NADH + Н* под действием фермента лактатдегидрогеназы получается молочная кислота:

При спиртовом брожении пировиноградная кислота предварительно декарбоксилируется до уксусного альдегида:

Пируватдекарбоксилаза относится к классу лиаз. В клетке эта реакция необратима, для проявления се активности необходимы ионы магния. Коферментом является тиаминпирофосфат.

Образовавшийся уксусный альдегид восстанавливается до этанола за счет NADH + Н . образовавшегося вследствие окисления глицеральдегид-3-фосфата

3. Аэробное окисление углеводов (цикл Кребса)

Гликолиз составляет обязательную анаэробную (бескислородную) стадию процесса катаболизма глюкозы. Конечным продуктом гликолиза (но не брожения!) является пировиноградная кислота (пируват). В аэробных клетках пируват не восстанавливается до лактата (как при молочнокислом брожении), а подвергается окислительному декарбоксилированию до ацетил кофермента А, а затем окисляется до СО2 и Н2О в аэробной (кислородной) стадии катаболизма глюкозы, которая называется дыханием.

Основную энергию для синтеза АТФ при дыхании клетка получает в результате окисления водорода (связанного с коферментом) кислородом, образующегося в результате гликолиза, окисления пирувата. В конечном счете, окисление ацетата в цикле трикарбоновых кислот дает две молекулы СО2 и восемь атомов [Н], из которых шесть входят в состав пиридиннуклеотидов, а два - в состав флавопротеинов. Кроме того, образуются молекулы различных высокоэнергетических соединений.

Последней стадией катаболизма является окислительное фосфорилирование. В ходе этого процесса высвобождается большая часть метаболической энергии. При окислительном фосфорилировании молекулы НАДН2 и ФАДН2 переносят электроны, полученные от кислорода молекул питательных веществ, к молекуле О2. Окислительное фосфорилирование осуществляется в дыхательной цепи под воздействием фермента АТФ-синтазы. Обе ферментные системы у прокариот находятся в плазматической мембране, а у эукариот - во внутренней мембране митохондрий. Электроны от атомов водорода (например, в НАДН2) по сложной цепи переносчиков переходят к молекулярному кислороду, восстанавливая его, при этом образуется вода.

В цепи дыхания при переносе атомов [Н] от НАДН к О2 освобождается 218 кДж на 1 моль НАДН. Из этого количества путем образования 3 молей АТФ запасается при стандартных условиях модельных опытов 90 кДж, а в клетке, вероятно, - 120 кДж.

Таким образом, сравнивая количество энергии, высвобождаемой при анаэробном расщеплении глюкозы, убеждаемся, что в аэробном процессе из 1 молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ и 217 кДж энергии. В процессе дыхания образуется почти в 20 раз больше энергии, чем при первичном распаде глюкозы до пировиноградной кислоты. Именно этим объясняется более эффективный рост клеток в аэробных условиях по сравнению с анаэробными.

Кроме углеводов источником энергии могут служить жиры и белки. Белки распадаются до аминокислот, а жиры - до жирных кислот и глицерина. При окислении жирных кислот образуется большая часть ацетил-СоА. При расщеплении аминокислот также высвобождается энергия. Если аминокислоты не используются для синтеза новых белков, то разными путями распадаются и, в конце концов, превращаются в пируват, ацетил-СоА и промежуточные продукты цикла трикарбоновых кислот (а-кетоглутарат, сукцинат, фумарат, малат, оксалоацетат).

Цикл лимонной кислоты. Цикл лимонной кислоты, или цикл Кребса (другое катание - цикл трикарбоновых кислот), - это циклический процесс, в каждый оборот которого вступает одна альдегидная группа (два атома углерода) и из каждого оборота цикла выводятся две молекулы диоксида углерода. Другие химические компоненты цикла не расходуются - они регенерируются в течение оборота цикла. Схема цикла Кребса представлена на рисунке.

Схема цикла Кребса

Цикл включает 8 реакций.

I. Конденсации ацетил- Со А с щавелево-уксусной кислотой.

В этой реакции метильный углерод ацетильной группы ацетил- Со А связывается с карбоксильной группой щавелево-уксусной кислоты, при этом освобождается кофермент А. Катализатором этой реакции является цитратсинтаза.

Высвободившийся кофермент А может вновь использоваться в реакции окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты.

Лимонная кислота превращается в изолимонную через образование цис-аконитовой кислоты под действием фермента аконитазы, которая катализирует обратимое присоединение воды.

Реакция катализирующая изоцитратдегидрогеназой. В качестве промежуточного соединения образуется щавелево- янтарная кислота, прочно связанная с ферментом. Для действия NAD' (зависимой дегидрогеназы) необходимо присутствие Mg' и Mn'. Предполагают, что наличие двух типов ферментов связано с регуляцией цикла. Одновременно с дегидрированием изолимонной кислоты происходит ее декарбоксилирование у С3-изоцитрата, который принадлежит молекуле щавелево-уксусной кислоты.

Ь-Кетоглутаровая кислота наряду с пировиноградной кислотой обеспечивает вовлечение в стадию аэробного дыхания аминокислот, липидов и других соединений. Процессы переаминирования или окисления глутаминовой кислоты - важный источник Ь- кетоглутаровой кислоты в метаболизме животных и растений. Кроме того, все аминокислоты, которые могут превращаться в глутаминовую кислоту, являются потенциальным источником Ь-кетоглутарата. К ним относятся аминокислоты орнитин, пролин, гистидин и оксипролин.

Эта реакция аналогична окислительному декарбоксилированию пировиноградной кислоты. Она также катализируется мультиферментным комплексом, состоящим из трех ферментов, аналогичных трем ферментам пируватдегидрогеназной системы, и включает также связанные с ферментами кофакторы: тиамин пирофосфат, Mg" кофермент А, NAD*, FAD и липоевую кислоту. Отличается эта реакция конечным продуктом, которым является не янтарная кислота (сукцинат), а сукцинил- Со А. Последний, вступая в реакцию конденсации с глицином, может участвовать в образовании порфи-рина (соединения, входящего в состав хлорофилла, пероксидазы. цитохромоксидаэы, гемоглобина крови и др.). Одновременно с де-гидрированием происходит декарбоксилирование Ь-кетоглутарата. В этой реакции карбоксильная группа, близлежащая к карбонильной, выделяется в виде СО2. Этот углерод принадлежит щавелево-уксусной кислоте. Реакция необратима и предопределяет направленность цикла лимонной кислоты в целом.

Сукцинил- Со А является высоко энергетическим соединением. При гидролизе тиоэфирной связи в его составе выделяется энергия, которая накапливается в гуанозинтрифосфате (GTP). Образование сукцинил-Со А и синтез GTP являются сопряженными, поэтому эта реакции называется фосфорилированием на субстратном уровне.

Энергия, содержащаяся в GTP, используется дли синтеза АТР.

Из четырех атомов углерода сукцината два, образующие СН2СООН-единицу, происходят из ацетильного остатка и два других, также образующих-СН2СООН-единицу, - из двух центральных углеродных атомов щавелево-уксусной кислоты. На этой стадии лимонного цикла двухуглеродная единица из ацетил-Со А теряет свою индивидуальность, поскольку следующий фермент -- сукцинатдегидрогеназа не может различить две -CH2COOH-единицы сукцината.

Окисление сукцината катализируется сукцинатдегидрогеназой, единственной реакцией дегидрирования, в которой участвиет не NAD, a FAD. Фермент состоит из двух субъединиц. Более крупный белок содержит FAD, обе субъединицы содержат негеминовое железо.

Эта реакция стереоспецифична по отношению присоединения -Н и -ОН воды по двойной связи фумарата и приводит к образованию только L-формы яблочной кислоты.

Этой реакцией цикл лимонной кислоты, или цикл Кребса, полностью свершается, и регенерированный оксалоацетат может конденсироваться с новой молекулой ацетил- Со А. Таким образом, для протекания цикла необходима лишь одна молекула щавелево-уксусной кислоты.

Щавелево-уксусная кислота образуется при карбоксилировании пировиноградной кислоты:

Вновь включившийся в цикл ацетильный остаток становится -С-СООН-группой щавелево-уксусной кислоты, регенерируемой в цикле. Однако использование регенерированной щавелево-уксусной кислоты в следующих оборотах цикла приводит к тому, что атом углерода того ацетила, который вошел в состав генерированной щавелево-уксусной кислоты, выделяется в виде CO. т. е. выделение СО2 за счет углерода, принадлежащего ацетилу, происходит не на первом обороте цикла, а на последующих.

Промежуточные продукты цикла лимонной кислоты используются клеткой в качестве предшественников при синтезе многих биомолекул - аминокислот, жирных кислот, а также терпенов, витаминов и многих других.

4. Глиоксилатный цикл

Глиоксилатный цикл представляет собой последовательность биохимических превращений уксусной кислоты, промежуточным продуктом которых является глиоксиловая кислота (СНОСООН). Глиоксилатный цикл -- видоизменённый цикл трикарбоновых кислот. Он наблюдается у микроорганизмов, растущих на среде, содержащей в качестве единственного источника углерода уксусную кислоту, а также у плесневых грибов и некоторых растений. Глиоксилатный цикл начинается с конденсации щавелевоуксусной кислоты с ацетил-КоА в лимонную кислоту, которая через цис-аконитовую кислоту переходит в изолимонную. Последняя распадается на янтарную кислоту и глиоксиловую кислоту, которая затем, конденсируясь с новой молекулой ацетил-КоА, превращается в яблочную кислоту. Эти две реакции катализируют характерные для Глиоксилатного цикла ферменты: изоцитратлиаза и малатсинтаза. Яблочная кислота, как и в цикле Кребса, превращается в щавелевоуксусную кислоту:

Литература

1. Казаков Е.Д., Биохимия зерна и хлебопродуктов. [Текст] / Е.Д. Казаков, Г.П Карпиленко - СПб: ГИОРД, 2005.- 512 с.

2. Комов В.П., Биохимия. [Текст] /В,П. Комов. - СПб.: ГИОРД, 2004. - 465с

3. Ленинджер А. Основы биохимии: В 3 т. М.: Мир, 1987. 980 с.

4. Луценко Н.Г. Начала биохимии: Кур лекций / РХТУ им. Менделеева Д.И. . - М.: МАЙК «Наука/Интерпериодика» , 2002 - 125 с

5. Рис Э.., Введение в молекулярную биологию: от клеток к атомам: Пер. с англ. [Текст] / Э. Рис, М. Стернберг.- М.: Мир, 2002. - 142с.

6. Уайт А., Фендлер Ф., Смит Э., Хилл Р., Леман И. Основы биохимии. В 3 т. - М.: Мир, 1981.

7. Щербаков В.Г., Биохимия. [Текст] / В.Г. Щербаков, В.Г. Лобанов, Т.Н. Прудникова, А.Д. Минакова - СПб.: ГИОРД, 2003. - 440 с.

8. Эллиот В., Эллиот Д. Биохимия и молекулярная биология. М.: НИИ биомед. химии РАМН, 1999. - 372 с

Размещено на Allbest.ru