Конечный продукт гликолиза. Бескислородное окисление глюкозы включает два этапа. Источники и пути использования аминокислот в клетках

(от греч. glykys – сладкий и lysis – распад, разложение) – один из трех основных (гликолиз, цикл Кребса и путь Энтнера – Дудорова) способов выработки энергии в живых организмах. Это процесс анаэробного (т.е. не требующего участия свободного О 2) ферментативного негидролитического расщепления углеводов (главным образом глюкозы и гликогена) в животных тканях, сопровождающийся синтезом аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) и заканчивающийся образованием молочной кислоты. Гликолиз важен для мышечных клеток, сперматозоидов, растущих тканей (в том числе, опухолевых), т.к. обеспечивает накопление энергии в отсутствие кислорода. Но известен и гликолиз в присутствии О 2 (аэробный гликолиз) – в эритроцитах, сетчатке глаза, тканях плода сразу после рождения и в слизистой оболочке кишечника. В изучение гликолиза большой вклад внесли Г. и К.Кори , а также такие пионеры биохимии как О.Мейерхоф и Г.Эмбден. Гликолиз был первой до конца расшифрованной последовательностью биохимических реакций (с конца 19 в. по 1940-е). Гексозомонофосфатный шунт или пентозофосфатный путь в некоторых клетках (эритроциты, жировая ткань) также может играть роль поставщика энергии.

Кроме глюкозы, в процесс гликолиза могут вовлекаться глицерин, некоторые аминокислоты и др. субстраты. В мышечной ткани, где основной субстрат гликолиза – гликоген, процесс начинается с реакций 2 и 3 (см . схему) и носит название гликогенолиза. Общим промежуточным продуктом для гликогенолиза и гликолиза является глюкозо-6-фосфат. Обратный путь образования гликогена называется гликогенезом.

Продукты, образующиеся при гликолизе, являются субстратами последующих окислительных превращений (см . Трикарбоновых кислот цикл или цикл Кребса). Процессами, аналогичными гликолизу, являются молочнокислое, маслянокислое, спиртовое, глицериновое брожение, протекающее в растительных, дрожжевых и бактериальных клетках. Интенсивность отдельных стадий гликолиза зависит от кислотности – водородного показателя – рН (оптимум рН 7–8), температуры и ионного состава среды. Последовательность реакций гликолиза (см. схему) хорошо изучена и промежуточные продукты идентифицированы. Растворимые ферменты гликолиза, присутствующие в клеточном соке, выделены в кристаллическом или очищенном виде.

Ферменты, осуществляющие отдельные этапы гликолиза:

1. Гексокиназа КФ2.7.1.1 (или глюкокиназа КФ2.7.1.2)

2. Гликогенфосфорилаза КФ2.4.1.1

3. Фосфоглюкомутаза КФ2.7.5.1

4. Глюкозофосфатизомераза КФ5.3.1.9

5. Фосфофруктокиназа КФ2.7.1.11

6. Фруктозобисфосфатальдолаза КФ4.1.2.13

7. Триозофосфатизомераза КФ5.3.1.1

8, 9. Глицеральдегидфосфатдегидрогеназа КФ1.2.1.12

10. Фосфоглицераткиназа КФ2.7.2.3

11. Фосфоглицеромутаза КФ2.7.5.3

12. Енолаза КФ4.2.1.11

13. Пируваткиназа КФ2.7.1.40

14. Лактатдегидрогеназа КФ1.1.1.27

Гликолиз начинается с образования фосфорных производных сахаров, что способствует превращению циклической формы субстрата в ациклическую, более реакционноспособную. Одной из реакций, регулирующих скорость гликолиза, является реакция 2, катализируемая ферментом фосфорилазой. Центральная регуляторная роль в гликолизе принадлежит ферменту фосфофруктокиназе (реакция 5), активность которой тормозится АТФ и цитратом, но стимулируется продуктами ее распада. Центральным звеном гликолиза является гликолитическая оксидоредукция (реакции 8–10), представляющая собой окислительно-восстановительный процесс, протекающий с окислением 3-фосфоглицеринового альдегида до 3-фосфоглицериновой кислоты и восстановлением кофермента никотинамидадениндинуклеотида (НАД). Эти превращения осуществляет дегидрогеназа 3-фосфоглицеринового альдегида (ДФГА) при участии фосфоглицераткиназы. Это – единственный окислительный этап в гликолизе, но и он не требует свободного кислорода, необходимо лишь присутствие НАД + , который при этом восстанавливается до НАД-Н 2 .

В результате оксидоредукции (окислительно-восстановительный процесс) высвобождается энергия, аккумулирующаяся (в виде богатого энергией соединения АТФ) в процессе субстратного фосфорилирования. Второй реакцией, обеспечивающей образование АТФ, является реакция 13 – образование пировиноградной кислоты. В анаэробных условиях гликолиз кончается образованием молочной кислоты (реакция 14) под действием лактатдегидрогеназы и с участием восстановленного НАД, который при этом окисляется до НАД (НАД-Н 2) и вновь может быть использован на окислительном этапе. В аэробных условиях пировиноградная кислота окисляется в митохондриях в ходе цикла Кребса.

Т.о., при расщеплении 1 молекулы глюкозы образуются 2 молекулы молочной кислоты и 4 молекулы АТФ. В то же время на первых стадиях гликолиза (см. реакции 1, 5) затрачиваются 2 молекулы АТФ на 1 молекулу глюкозы. В процессе гликогенолиза образуется 3 молекулы АТФ, т.к. не нужно тратить АТФ для получения глюкозо-6-фосфата. Первые девять реакций гликолиза представляют собой его эндергоническую (с поглощением энергии) фазу, а последние реакции – экзергоническую (с выделением энергии) фазу. В процессе гликолиза выделяется только около 7% теоретической энергии, которая может быть получена при полном окислении глюкозы (до СО 2 и Н 2 О). Однако общая эффективность накопления энергии в форме АТФ составляет 35–40%, а в практических условиях клетки может быть и выше.

Глицеральдегидфосфатдегидрогеназа и лактатдегидрогеназа внутренне сопряжены (один требует НАД + , другой образует НАД +), что обеспечивает круговорот этого кофермента. В этом, возможно, заключается основное биохимическое значение терминальной дегидрогеназы.

Все реакции гликолиза обратимы, кроме 1, 5 и 13. Однако можно получить глюкозу (реакция 1) или фруктозомонофосфат (реакция 5) из их фосфорных производных при гидролитическом отщеплении фосфорной кислоты в присутствии соответствующих ферментов; реакция 13 практически необратима, по-видимому, вследствие высокой энергии гидролиза фосфорной группировки (около 13 ккал/моль). Поэтому образование глюкозы из продуктов гликолиза идет другим путем.

В присутствии O 2 скорость гликолиза снижается (эффект Пастера). Есть примеры подавления гликолизом тканевого дыхания (эффект Кребтри) в некоторых интенсивно гликолизирующих тканях. Механизмы взаимоотношений анаэробных и аэробных окислительных процессов до конца не изучены. Одновременное регулирование процессов гликолиза и гликогенеза однозначно определяет поток углерода по каждому из этих путей в зависимости от нужд организма. Контроль осуществляется на двух уровнях – гормональном (у высших животных через регуляторные каскады с участием вторичных посредников) и метаболическом (у всех организмов).

Игорь Рапанович

ГЛИКОЛИЗ (греч, glykys сладкий + lysis разрушение, распад) - сложный ферментативный процесс превращения глюкозы, протекающий в тканях животных и человека без потребления кислорода и приводящий к образованию молочной кислоты и АТФ.

C 6 H 12 O 6 + 2АДФ + 2Ф неорг. -> 2CH 3 CHOHCOOH + 2АТФ + 2H 2 O.

Именно благодаря Г. организм человека и животных может осуществлять ряд физиол, функций в условиях недостаточности кислорода.

В тех случаях, когда Г. протекает на воздухе или в атмосфере кислорода, говорят об аэробном Г. В анаэробных условиях Г.- единственный процесс в животном организме, поставляющий энергию. В аэробных условиях Г. является первой стадией окислительного превращения глюкозы и других углеводов до конечных продуктов этого процесса - углекислоты и воды. Процессами, аналогичными Г., у растений и микроорганизмов являются различные виды брожения (см.). Впервые термин «гликолиз» был предложен Лепином (Lepine) в 1890 г.

Последовательность реакций в процессе Г., также как и их промежуточные продукты, хорошо изучены. Реакции Г. катализируются одиннадцатью ферментами, большинство из которых выделены в гомогенном, кристаллическом или высоко очищенном виде и свойства которых тщательно изучены.

Наиболее интенсивен Г. в скелетных мышцах, в печени, сердце, мозге и других органах. В клетке Г. протекает в гиалоплазме.

Первой ферментативной реакцией (см. схему), открывающей цепь реакций Г., является реакция взаимодействия D-глюкозы с АТФ (2), приводящая к образованию глюкозо-6-фосфата и обеспечивающая возможность дальнейшего превращения глюкозы в процессе Г. Реакция катализируется гексокиназой (см.). Эта реакция сопровождается выделением значительного количества энергии и поэтому практически необратима. В скелетных мышцах и печени глюкозо-6-фосфат в больших количествах образуется также при катаболизме гликогена, т. е. при гликогенолизе.

Второй реакцией Г. (схема, реакция 2) является изомеризация глюкозо-6-фосфата во фруктозо-6-фосфат, катализируемая глюкозофосфатизомеразой, не нуждающейся в присутствии каких-либо кофакторов. Образующая смесь двух гексозомонофосфатов, состоящая приблизительно на 80% из глюкозо-6-фос-фата и на 20% из фруктозо-6-фосфата с примесью нек-рого количества других фосфомоноэфиров, носит название эфира Эмбдена. Такая же смесь, но состоящая из глюкозо-6-фосфата почти наполовину, называется эфиром Робисона.

Фруктозо-6-фосфат, далее в фосфофруктокиназной реакции (схема, реакция 3) за счет АТФ фосфорилируется во фруктозо-1,6-дифосфат. Фруктозодифосфат является специфическим субстратом именно для Г., тогда как предыдущие реакции характерны не только для Г., но и для окислительного распада углеводов. Фосфофруктокиназа - регуляторный фермент, имеющий на молекуле 7, а по данным некоторых авторов, 12 центров связывания субстратов, кофакторов и ингибиторов. Фермент активируется ионами двухвалентных металлов, неорганическим фосфатом, АДФ, АМФ, циклическим 3",5"-АМФ. Активность фермента также повышается в присутствии фруктозо-6-фосфата и фруктозо-1,6-дифосфата. Ингибируют фермент АТФ и цитрат.

Реакция, катализируемая фосфофруктокиназой, является наиболее медленно текущей реакцией Г., определяющей скорость всего процесса. Главными факторами в клетке, контролирующими фосфофруктокиназу, являются относительные концентрации АТФ и АДФ. Когда величина отношения АТФ/АДФ + Ф неорг. значительна, что достигается в процессе окислительного фосфорилирования (см.), происходит угнетение фосфофруктокиназы, и Г. замедляется. При снижении величины отношения АТФ/АДФ + Ф неорг. интенсивность Г. повышается. В неработающей мышце активность фосфофруктокиназы низка, что объясняется высокой концентрацией АТФ (см. Аденозинтрифосфорная кислота). В процессе работы, когда происходит интенсивное потребление АТФ, активность фосфофруктокиназы увеличивается, что приводит к интенсификации Г., а следовательно, и к усиленному образованию АТФ. При диабете, голодании и других условиях, вызывающих переключение энергетического обмена на использование жиров, содержание цитрата в клетке может возрасти в несколько раз. Величина торможения фосфофруктокиназы цитратом достигает при этом 70-80%.

Следующий этап Г. катализирует фруктозодифосфатальдолаза (схема, реакция 4). Фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется на две фосфотриозы: диоксиацетонфосфат и глицеральдегид-3-фосфат. Под влиянием триозофосфатизомеразы (схема, реакция 5) происходит взаимопревращение, фосфотриоз. Равновесие этой реакции сдвинуто в сторону образования диоксиацетонфосфата: на 96% диоксиацетонфосфата приходится всего 4% глицеральдегид-3-фосфата, но именно он и участвует в дальнейших превращениях в процессе Г. Благодаря высокой активности триозофосфатизомеразы преимущественное образование диоксиацетонфосфата не лимитирует скорости Г. в целом. Образованием глицеральдегид-3-фосфата (3-фосфоглицеринового альдегида) заканчивается первая стадия Г.

Вторая стадия Г. является общим путем превращения всех углеводов и рассматривается как наиболее сложная и важная часть процесса, приводящая к образованию АТФ. Центральной реакцией Г. является реакция гликолитической оксидоредукции, сопряженной с фосфорилированием,- реакция окисления 3-фосфоглицеринового альдегида (схема, реакция 6), катализируемая глицеральдегидфосфатдегидрогеназой. Этот фермент состоит из четырех идентичных субъединиц, каждая из которых представляет собой полипептидную цепь с 330 аминокислотными остатками. Каждая субъединица несет одну молекулу НАД+ и 4 свободные SH-группы. В ходе реакции, идущей в присутствии неорганического фосфата, НАД+ выступает как акцептор водорода, отщепляющегося от глицеральдегид-3-фосфата. При восстановлении НАД+ происходит связывание глицеральдегид-3-фос-фата с молекулой фермента за счет SH-групп последнего. Образовавшаяся связь, богатая энергией, непрочна и расщепляется под влиянием неорганического фосфата, при этом образуется 1,3-дисфосфоглицериновая к-та (1,3-дифосфоглицерат). Последующая реакция (схема, реакция 7) приводит к передаче богатого энергией фосфатного остатка на молекулу АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицериновой к-ты (3-фосфоглицерата). Для реакции, катализируемой фосфоглицераткиназой, необходимы ионы двухвалентных металлов: Mg 2+ , Mn 2+ или Ca 2+ . Далее (схема, реакция 8) 3-фосфоглицериновая к-та превращается в 2-фосфоглицериновую к-ту (2-фосфоглицерат). Реакцию катализирует фосфоглицерат-фосфомутаза в присутствии двух кофакторов: иона Mg 2+ и 2,3-дифосфоглицериновой к-ты. Следующий этап Г.- образование фосфоенолпирувата, богатого энергией предшественника АТФ (схема, реакция 9). Превращение 2-фосфоглицериновой к-ты (2-фосфоглицерата) в фосфоенолпируват осуществляется в результате реакции дегидратации, катализируемой фосфопируват-гидратазой. Фермент, катализирующий эту реакцию, нуждается в Mg 2+ , Mn 2+ , Zn 2+ или Cd 2+ , антагонистами которых являются ионы Ca 2+ или Sr 2+ . Реакцию между фосфоенолпируватом и АДФ (схема, реакция 10) с образованием пировиноградной к-ты (пирувата) и АТФ катализирует пируваткиназа, требующая для проявления своей активности ионов Mg 2+ или Mn 2+ и K + ; Ca 2+ выступает как конкурентный антагонист этих ионов. Для максимальной активности пируваткиназа нуждается также в присутствии одновалентных катионов K + , Rb + или Cs + , антагонистами которых являются катионы Na + и Li + . Обратимое восстановление пирувата в молочную к-ту (лактат) за счет восстановленного НАД + (НАДН) является конечным этапом Г. (схема, реакция 11). Реакцию катализирует лактатдегидрогеназа (см.).

Благодаря трем необратимым реакциям - гексокиназной, фосфофруктокиназной и пируваткиназной Г. сам по себе является необратимым процессом (его равновесие сдвинуто в сторону образования молочной к-ты). На I стадии Г. затрачиваются две молекулы АТФ, на II стадии образуются четыре молекулы АТФ. Т. о., энергетическая эффективность Г. (всего две молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы) сравнительно низка. Тем не менее роль Г. велика, т. к. только благодаря ему организм может осуществлять ряд физиол, функций в условиях недостаточного снабжения тканей и органов кислородом. Такие условия создаются, напр., в энергично работающей скелетной мышце. Присутствие кислорода тормозит Г. (явление, называемое эффектом Пастера - см. Пастера эффект). В сердечной мышце в процессах образования энергии гликолитический путь распада углеводов занимает небольшое место. Активность ферментов Г. в сердце значительно ниже, чем в скелетных мышцах. Реальная скорость Г. меняется в зависимости от снабжения сердечной мышцы кислородом и интенсивности в ней окислительных процессов. Но даже при наиболее оптимальных условиях снабжения кислородом в мышце сердца всегда идет Г. Субстраты гликолитических реакций (фосфорилированные сахара, пируват, молочная к-та) используются сердечной мышцей в процессах пластического обмена веществ и в цикле Трикарбоновых к-т (см. Трикарбоновых кислот цикл) в качестве субстратов окисления. Большую роль Г. приобретает в сердце в условиях дефицита кислорода. Бурный аэробный Г. происходит в опухолях, где он является основным источником энергии. Опухолевые ткани характеризуются отсутствием эффекта Пастера. В них регулирующая роль фосфофруктокиназы утрачивается.

Нормальное течение Г. возможно только в том случае, если в ткани присутствуют АДФ, субстраты для фосфоглицераткиназной и пируваткиназной реакций, а также НАД и неорганический фосфат, необходимые для реакции гликолитической оксидоредукции (угнетение гликолитической оксидоредукции в сердечной мышце, обусловленное уменьшением содержания НАД, наблюдалось в условиях экспериментального миокардита). Основной, лимитирующей скорость Г. реакцией является реакция, катализируемая фосфофруктокиназой (см. схему, реакция 3). Вторым этапом, лимитирующим скорость и регулирующим Г., после фосфофруктокиназной реакции является гексокиназная реакция (см. схему, реакция 1). Широкий изоферментный спектр этого фермента обусловливает возможность тонкой регуляции Г. на его начальном, пусковом этапе. Динамичный характер связи гексокиназы с митохондриями и микросомами, а также изменения свойств этого фермента при взаимодействии с субклеточными структурами делают механизм регуляции Г. очень чувствительным.

Отсутствие регулирующей роли фосфофруктокиназы и крайне высокая активность гексокиназы превращают злокачественную опухоль в мощный насос, непрерывно извлекающий глюкозу из организма. При этом интенсивность Г. такова, что перепад между концентрацией глюкозы в артериальной крови и ткани опухоли достигает 60-80 мг% (артериальная кровь) против нуля (опухолевая ткань).

В норме контроль Г. осуществляется также лактатдегидрогеназой (ЛДГ) и ее изоферментами (см. Лактатдегидрогеназа), которые характеризуются специфической локализацией в органах и тканях. В тканях с аэробным метаболизмом (ткани сердца, почек, эритроциты) преобладают ЛДГ-1 и ЛДГ-2. Эти изоферменты ингибируются даже небольшими концентрациями пирувата, что препятствует образованию молочной к-ты и способствует более полному окислению пирувата в цикле Трикарбоновых к-т. В тканях человека, в значительной степени зависимых от энергии, образующейся в процессе Г. (скелетные мышцы), главными изоферментами ЛДГ являются ЛДГ-4 и ЛДГ-5. Активность ЛДГ-5 максимальна при тех концентрациях пирувата, которые ингибируют ЛДГ-1. Преобладание изоферментов ЛДГ-4 и ЛДГ-5 обусловливает интенсивный анаэробный Г. с быстрым превращением пирувата в молочную к-ту. Заметное увеличение относительного содержания ЛДГ-5 было отмечено при адаптации организмов и клеток в культурах к гипоксии. Во многих тканях человека (ткани селезенки, поджелудочной и щитовидной желез, надпочечников, лимф, узлов) преобладает изофермент ЛДГ-3. В тканях эмбриона и плода человека присутствуют все 5 изо-ферментов лактатдегидрогеназы, среди которых преобладает ЛДГ-3. Вскоре после рождения у ребенка картина распределения изоферментов в органах и тканях становится такой же, как и у взрослого человека. Изменение изоферментного спектра в эмбриогенезе особенно выражено в скелетных мышцах. При различных миопатиях (см.) наблюдается аномальное распределение изоферментов ЛДГ: увеличение одних и уменьшение или даже полное исчезновение других. При прогрессирующей мышечной дистрофии (болезнь Дюшенна) преобладают изоферменты ЛДГ-1, ЛДГ-2 и ЛДГ-3. При других формах мышечной дистрофии (миотоническая дистрофия, дерматомиозит, болезнь Верднига - Гоффманна) характерно уменьшение или даже отсутствие ЛДГ-5 в скелетных мышцах, что коррелирует со сниженным образованием молочной к-ты у больных этими формами миопатий после физ. работы. При ряде патол, состояний благодаря увеличению проницаемости клеточных мембран изо-ферменты лактатдегидрогеназы в избыточном количестве поступают в кровь. Активность лактатдегидрогеназы и характер распределения ее изоферментов в сыворотке крови специфически изменяются при инфаркте миокарда (см.), заболеваниях печени и желчевыводящих путей, ревматизме (см.). В клинике для дифференциальной диагностики этих заболеваний применяют простые методы определения относительного распределения изоферментов лактатдегидрогеназы в сыворотке крови, основанные на их различной электрофоретической подвижности.

В организме человека и животных существуют ферментативные механизмы, обеспечивающие протекание Г. в обратном направлении, т. е. синтез глюкозы, а также гликогена из молочной к-ты. Этот процесс носит название глюконеогенеза; он интенсивно протекает в печени, куда в больших количествах током крови доставляется молочная к-та. Энергия для осуществления этого процесса образуется также в печени в результате полного окисления нек-рой части (ок. 15%) молочной к-ты. Предшественниками глюкозы в глюконеогенезе могут быть пируват или любое соединение, превращающееся в процессе катаболизма в пируват или один из промежуточных продуктов цикла Трикарбоновых к-т, а также так наз. гликогенные аминокислоты.

Большинство стадий глюконеогенеза представляет собой обращение реакций Г. Три реакции Г.- гексокиназная, фосфофруктокиназная и пируваткиназная - необратимы, поэтому глюконеогенез идет в обход этих реакций.

Первую реакцию глюконеогенеза - превращение молочной к-ты в пировиноградную - катализирует лактатдегидрогеназа. Синтез фосфоенолпирувата из пирувата осуществляется в несколько этапов. Первый этап локализуется в митохондриях.

Пируват под влиянием пируваткарбоксилазы (КФ 6.4.1.1), активной только в присутствии ацетилкофермента А, карбоксилируется при участии CO 2 с образованием оксалоацетата. В реакции участвует АТФ, поэтому продуктами реакции наряду с оксалоацетатом являются АДФ и ортофосфат:

Оксалоацетат в результате декарбоксилировании и фосфорилирования под влиянием фосфопируваткарбоксилазы (КФ 4.1.1.32) превращается в фосфоенол пируват. Донором фосфатного остатка в реакции служит гуанозинтрифосфат или инозинтрифосфат:

Фосфопируваткарбоксилаза присутствует как в гиалоплазме, так и в митохондриях, но распределение фермента у человека и животных различно. У морских свинок, кроликов, овец, коров и у человека фосфопируваткарооксилаза присутствует в обеих фракциях. В эмбриональной печени крыс и морских свинок, не способной к глюконеогенезу, присутствует только митохондриальный фермент. В гиалоплазме активность фосфопируваткарбоксилазы появляется только в постнатальный период; одновременно печень становится способной к глюконеогенезу.

Поскольку в глюконеогенезе участвует фосфопируваткарбоксилаза превращение оксалоацетата в фосфоенолпируват происходит именно в гиалоплазме. Оксалоацетат, образовавшийся в митохондриях, не может перейти в гиалоплазму, т. к. мембрана митохондрий для него непроницаема. В митохондриях оксалоацетат восстанавливается в яблочную к-ту (малат), к-рая способна диффундировать из митохондрий в гиалоплаз-му, где и окисляется с образованием оксалоацетата, который, в свою очередь, превращается в фосфоенол пируват.

Последующие реакции глюконеогенеза, катализируемые ферментами Г., приводят к образованию фруктозо-1 ,6-дифосфата. Превращение фруктозо-1 ,6-дифосфата во фруктозо-6-фосфат, а затем и глюкозо-6-фосфата в глюкозу катализируют специфические фосфатазы, гидролитически отщепляющие неорганический фосфат.

При глюконеогенезе фруктозо-1,6-дифосфатаза (гексозодифосфатаза; КФ 3.1.3.11) катализирует ключевую реакцию D-фруктозо-1,6-дифосфат + H 2 O -> D-фруктозо-б-фосфат + ортофосфат) и соответственно действие, к-рое оказывает на нее АТФ и АМФ, противоположно их действию на фосфофруктокиназу (см. выше): гексозодифосфатаза активируется под влиянием АТФ и ингибируется АМФ. Когда величина отношения АТФ/АДФ низка, в клетке происходит расщепление глюкозы, когда эта величина высока - расщепление глюкозы прекращается. В аэробных условиях значительно эффективнее, чем в анаэробных, из клетки удаляется неорганический фосфат й АДФ и накапливается АТФ, что приводит к подавлению Г. и стимуляции глюконеогенеза. Пируваткарбоксилаза также чувствительна к величине отношения АТФ/АДФ, т. к. ингибируется АДФ. Ацетил-КоА активирует пируваткарбоксилазу.

В регуляции Г. и глюконеогенеза большую роль играет инсулин (см.). При недостаточности его происходит повышение концентрации глюкозы в крови (гипергликемия), избыточное выведение глюкозы с мочой (глюкозурия) и уменьшение содержания гликогена в печени. При этом мышцы утрачивают способность использовать в процессе Г. глюкозу крови. В печени при общем снижении интенсивности биосинтетических процессов (биосинтеза белков, биосинтеза жирных к-т из глюкозы) наблюдается усиленный синтез ферментов глюконеогенеза. При введении инсулина больным диабетом все перечисленные метаболические нарушения исчезают: нормализуется проницаемость для глюкозы мембран мышечных клеток, восстанавливается соотношение между Г. и глюконеогенезом. Инсулин контролирует эти процессы на генетическом уровне как регулятор синтеза ферментов. Он является индуктором образования ключевых ферментов Г.: гексокиназы, фосфофруктокиназы и пируваткиназы. Одновременно инсулин действует как репрессор синтеза ферментов глюконеогенеза.

Клин, признаки преобладания Г. над аэробной фазой распада углеводов наблюдаются чаще всего при гипоксических состояниях, обусловленных различными нарушениями кровообращения или дыхания, высотной болезнью, анемией, понижением активности системы тканевых окислительных ферментов при некоторых инфекциях и интоксикациях, гипо- и авитаминозами, в результате относительной гипоксии при чрезмерной мышечной работе. При усилении Г. происходит накопление пирувата и лактата с соответствующим закислением тканей, изменением кислотно-щелочного равновесия, уменьшением щелочных резервов. У больных сахарным диабетом активация процессов Г. и недостаточный ресинтез лактата в гликоген печени также нередко приводят к увеличению содержания в крови лактата и пирувата; в этих случаях ацидоз может достигать высокой степени с развитием диабетической молочнокислой комы. Торможение ресинтеза гликогена из лактата и пирувата, образовавшихся в результате Г., наблюдается при поражениях паренхимы печени (поздние стадии гепатита, цирроз печени и т. п.), поэтому увеличение содержания в сыворотке крови лактата и пирувата может служить показателем нарушения функции печени.

Высокая интенсивность Г. в опухолевых тканях используется для определения чувствительности опухолей к нек-рым противоопухолевым препаратам: подавление Г. в срезах опухоли под влиянием исследуемого химиопрепарата свидетельствует о чувствительности к нему данной опухоли.

Библиография: Дэгли С. и Никольсон Д. Е. Метаболические пути, пер. с англ., М., 1973, библиогр.; Л e н и н д-жер А. Биохимия, пер. с англ., М., 1976; Проблемы медицинской химии, под ред. В. С. Шапота и Э. Г. Ларского, М., 1973, библиогр.; УилкинсонДж. Изофер-менты, пер. с англ., М., 1968.

Г. А. Соловьева, Г. К. Алексеев.

Гликолиз - это главный процесс катаболизма различных углеводов для многих живых организмов. Именно он позволяет генерировать энергию в виде молекул АТФ в тех клетках, где не происходит фотосинтез. Анаэробный гликолиз протекает при наличии или отсутствии кислорода.

Специфика процесса

Многочисленные исследования химической сути данного процесса продемонстрировали, что у начальных этапов брожения и дыхания есть сходство. Благодаря этому открытию ученые объяснили единство в живом мире. Анаэробный гликолиз происходит после того, как прошел цикл трикарбоновых кислот, завершился перенос свободных электронов. В митохондрии попадает пируват, происходит его окисление до углекислого газа. Это приводит к выделению свободной энергии из гексозы. Ферменты, являющиеся ускорителями гликолитических реакций, во многих клетках находятся в растворимой форме в цитозоле. Ускорители процесса окисления гексоз, происходящего в присутствии кислорода, сконцентрированы в митохондриальных мембранах.

Для расщепления молекулы углевода, включающего шесть атомов углерода на две молекулы, необходимо присутствие десяти активных ферментов. Исследователям удалось выделить их в чистом виде, изучить их физические и химические характеристики.

Стадии процесса

Процесс гликолиза происходит в клетках живых организмов. Он сопровождается образованием пировиноградной кислоты, состоит из нескольких этапов. Для дыхательного распада нужно активировать глюкозу. Происходит подобный процесс при фосфорилировании атома углерода при взаимодействии с АТФ.

глюкоза + АТФ = глюкозо-6-фосфат + АДФ

Для проведения данного химического взаимодействия используют катионы магния и гексокиназу (фермент). Далее происходит изомеризация продукта реакции в фруктозу-6-фосфат. В качестве катализатора применяют фермент фосфоглюкоизомеразу.

Гликолиз глюкозы характеризуется еще одной стадией, в которой участвует АТФ. Присоединение фосфорной кислоты происходит к первому атому углерода во фруктозе. Последующие этапы гликолиза связаны с расцеплением полученного фруктозо-1,6-дифосфата до триоз, образованием ФГА (3-фосфоглицеринового альдегида).

Гликолиз - многостадийный процесс, связанный с выделением энергии. При расщеплении одной молекулы глюкозы получают две молекулы ФГА, поэтому происходит их повтор.

Гликолиз - это процесс, который в суммарном виде представлен уравнением:

C6H12O6 + 2АТФ + 2НАД + 2Фн + 4АДФ → 2ПВК 2НАДН + 2Н+ + 4АТФ + 2АДФ

Регуляция гликолиза

Гликолиз - это важный для живого организма процесс. Он направлен на выполнение двух функций:

• генерация АТФ при расщеплении молекул гексозы;
• транспортировка строительных блоков для последующего процесса синтеза.

Регуляция данного процесса направлена на полное удовлетворение этих потребностей живой клетки. Реакции, в которых катализаторами выступают ферменты, являются необратимыми.

Особое значение в осуществлении регуляторной функции принадлежит фосфофруктокиназе. Данный фермент выполняет регуляторную функцию, характеризует скорость протекания процесса.

Физиологическое значение

Гликолиз можно считать универсальным способом катаболизма глюкозы. Его активно используют про- и эукариотические организмы. Ферменты, являющиеся катализаторами гликолиза, растворяются в воде, накапливаются в цитозоле. Часть клеток и тканей животных могут катаболизировать гексозу только путем гликолиза. Например, подобные способности есть у клеток почечных каналов, нейронов мозга.

В жировой ткани и печени есть некоторые отличия в физиологической роли гликолиза. При пищеварении в жировой ткани и в печени данный процесс является источником субстратов, используемых в синтезе жиров.

Часть тканей растений запасают крахмал в клубнях. Водные растения энергию получают через гликолиз.

В анаэробных условиях происходит превращение пирувата в этанол и лактат. Процесс сопровождается выделением большого количества энергии.

Гликолиз имеет существенное физиологическое значение в адипоцитах. С его помощью вместо окислительного процесса происходит липогенез, позволяющий снижать окислительный стресс.

Медицинская значимость

По мере накопления лактата, который образуется при анаэробных условиях, развивается в крови лактацидоз. Он приводит к понижению реакции среды крови, что сопровождается резкими нарушениями в метаболизме клеток. Подобный процесс происходит при патологических процессах, связанных с нарушениями снабжения кислородом тканей. Например, при инфаркте миокарда, кровотечениях, легочной эмболии. Обусловлен этот процесс сахарным диабетом, при котором вместо аэробного гликолиза происходит анаэробный процесс.

Учитывая, что инсулин является ускорителем гликолиза, при первом типе диабета наблюдается замедление гликолиза. Именно поэтому те препараты, которые стимулируют ферменты, используемые для данного процесса, выполняют функцию лечения заболевания.

Заключение

Гликолиз - это процесс, который необходим для полноценной жизнедеятельности организмов. При раковых заболеваниях потребление глюкозы увеличивается в десять раз, поэтому именно от гликолиза зависит жизнеспособность опухолевых клеток.

После детального изучения особенностей протекания данного процесса ученым удалось использовать гликолиз не только для питания клеток, но и для лечения некоторых заболеваний.

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.

В клетках глюкоза может превращаться в жирные кислоты, аминокислоты, гликоген и окисляться в различных катаболических путях.

Окисление глюкозы называют гликолизом . Глюкоза может окисляться до лактата и до пирувата. В аэробных условиях главным продуктом является пируват, такой путь называется аэробным гликолизом . При недостатке кислорода преобладает продукт - лактат. Этот путь окисления называется анаэробным гликолизом .

Процесс аэробного распада глюкозы можно разделить на три части: специфические для глюкоза превращения, завершающиеся образованием пирувата (аэробный гликолиз); общий путь катаболизма (окислительное декарбоксилирование и ЦЛК); дыхательная цепь.

В результате этих процессов глюкоза распадается до CO 2 и H 2 O, а освобождающаяся энергия используется для синтеза АТФ.

Ферментативные реакции.

Распад глюкозы до пирувата также можно разделить на два этапа. Первый этап (глюкоза  глицеральдегидфосфат) требует энергии в форме АТФ (2 АТФ).

Е 1 - гексокиназа или глюкокиназа

Е 2 - глюкозофосфатизомераза

Е 3 - фосфофруктокиназа

Е 4 - фруктозодифосфатальдолаза

Е 5 - триозфосфатизомераза

Второй этап (глицеральдегид  пируват) протекает с выходом энергии в виде АТФ и НАДН (4 АТФ и 2 НАДН).

Е 6 - глицеральдегид-3-фофатдегидрогеназа

Е 7 - фосфоглицераткиназа

Е 8 - фосфоглицератфосфомутаза

Е 9 - енолгидратаза

Е 10 - прируваткиназа

Особенности ферментов гликолиза.

На пути гликолиза три реакции являются необратимыми (реакция 1 -глюкокиназная, реакция 3 - фофофруктокиназная, реакция 10 -пируваткиназная ). Они катализируются регуляторными ферментами и определяют скорость всего процесса гликолиза. Кроме того, именно эти реакции отличаются от реакций обратного пути - синтеза глюкозы (глюконеогенеза ).

Гексокиназа и глюкокиназа

Глюкокиназная реакция - первая АТФ-зависимая реакция гликолиза. Она катализируется тканеспецифическими ферментами - гексокиназами. У человека известно 4 изомера гексокиназ (типы I - IV). Изофермент IV типа - глюкокиназа. Глюкокиназа находится только в печени и имеет высокое значение К м к глюкозе. Это приводит к тому, что фермент насыщается субстратом лишь при очень высоких концентрациях глюкозы. Гексокиназа катализирует фосфорилирование глюкозы при любых (в том числе низких) концентрациях глюкозы и ингибируется продуктом глюкозо-6-фосфатом. Глюкокиназа не ингибируется глюкозо-6-фосфатом. При увеличении концентрации глюкозы после приема пищи увеличивается скорость глюкокиназной реакции. Глюкозо-6-фосфат не проходит через клеточные мембраны и задерживается в клетке, поэтому больше глюкозы задерживается в печени. Таким образом, глюкокиназа является буфером глюкозы в крови. В тоже время, в тканях, энергетический обмен которых зависит от глюкозы, локализован изофермент с низким значением К м.

Глюкозофосфатизомераза

Фермент имеет почти равное значение К м для глюкозо-6-фосфата и фруктозо-6-фосфата. Этот фермент по-другому называют гексозофосфатизомераза.

Фосфофруктокиназа

Этот фермент катализирует только прямую реакцию, т.е. эта реакция гликолиза является необратимой и определяет скорость всего процесса.

Фруктозодифосфатальдолаза катализирует реакции гликолиза и глюконеогенеза.

Триофосфатизомераза катализирует равновесную реакцию, и равновесие смещается в сторону гликолиза или глюконеогенеза по принципу действия масс.

Глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа катализирует реакции гликолиза и глюконеогенеза.

Фосфоглицераткиназа катализирует обратимую реакцию (гликолиза и глюконеогенеза). Эта реакция имеет большое значение в эритроцитах, т.к. образующийся 1,3-дифосфоглицерат под действием фермента дифосфоглицератмутазы превращается в 2,3-дифосфоглицерат (ДФГ) - регулятор сродства Hb к кислороду.

Фосфоглицератфосфомутаза и енолгидратаза катализируют превращение относительно низкоэнергетической связи в 3-фосфоглицерате в высокоэнергетическую форму, а затем в АТФ.

Пируваткиназа - регуляторный фермент, который катализирует необратимую реакцию, в которой высокоэнергетический фосфат фосфоенолпирувата превращается в АТФ.

Пируват далее окисляется в митохондриях. Распад глюкозы до пирувата протекает в цитоплазме, поэтому существует специальный переносчик пирувата в митохондрии по механизму симпорта с Н + . Образующийся НАДН также должен быть транспортирован в митоходрии для окисления в цепи переноса электронов.