Czytaj książkę: «Диалог с изучающим углеводы»
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ имени Патриса Лумумбы»
Медицинский институт
Кафедра биохимии имени академика Берёзова Т.Т.
Учебное пособие для студентов
медицинских и биологических специальностей
Москва 2025
Авторы-составители:
Смирновa Иринa Пaвловнa – доктор биологических нaук, профессор кaфедры биологической химии имени aкaдемикa Т.Т. Березовa Медицинского институтa РУДН
Гаврилюк Людмила Александровна – доктор медицинских нaук, доцент кaфедры биологической химии имени aкaдемикa Т.Т. Березовa Медицинского институтa РУДН
Неборaк Екaтеринa Влaдислaвовнa – кaндидaт биологических нaук, доцент кaфедры биологической химии имени aкaдемикa Т.Т. Березовa Медицинского институтa РУДН
Рецензенты:
Орлова Валентина Сергеевна – доктор биологических наук, профессор департамента экологической безопасности и менеджмента Экологического института РУДН
Плосконос Мария Вячеславовна – доктор биологических наук, профессор кафедры фундаментальной химии Астраханского Государственного Медицинского Университета.
Предисловие
Учебное пособие «Диалог с изучающим углеводы» представлено в виде вопросов и ответов разделов курса биохимии и предназначено для студентов медицинских и биологических специальностей. Одна из целей предлагаемого пособия – использование материала, как варианта самостоятельного изучения тем «Химическая структура и обмен углеводов», а также, дополнительно, для усвоения указанной темы.
В пособии использовался переработанный материал из рекомендованных для студентов медицинских и биологических специальностей учебников по биохимии. Предлагаемый вариант обучения в виде вопросов и ответов является не только одной из форм обучения студентов, но и проверкой их знаний и может быть использован при подготовке к коллоквиумам и экзаменам, как студентами, так и преподавателями.
В пособии включены ключевые вопросы темы обмена углеводов, а ответы иллюстрированы большим количеством схем и рисунков, частично разработанными авторами, частично заимствованными из других источников переработаны и упрощены, что должно облегчить поиск ответа на поставленный вопрос.
Пособие соответствует программе курса биохимии биологических и медицинских специальностей. Предложенные учебный материал не отражают весь круг вопросов данной темы, но, тем не менее, авторы надеются, что пособие поможет студентам в изучении этого раздела биохимии. Авторы готовы рассмотреть любые предложения по улучшению учебного пособия и критические замечания читателей.
Авторы-составители
Список сокращений
АДФ – аденозиндифосфат
АМФ – аденозинмонофосфат
АТФ – аденозинтрифосфат
ГДФ – гуанозиндифосфат
ГТФ – гуанозинтрифосфат
D – дальтон
КоА – кофермент (коэнзим) А
ЛДГ – лактатдегидрогеназа
НАД+ – окисленный никотинамидадениндинуклеотид
НАДH(H+) – восстановленный никотинамидаденин-
динуклеотид
НАДФ+– окисленный никотинамидадениндинуклеотидфосфат
НАДФH(H+) – восстановленный никотинамидаденин-
динуклеотидфосфат
ПВК – пировиноградная кислота
СДГ – сукцинатдегидрогеназа
ТПФ – тиаминпирофосфат
УДФ – уридиндифосфат
УМФ – уридинмонофосфат
УТФ – уридинтрифосфат
ФАД – окисленный флавинадениндинуклеотид
ФАДН2 – восстановленный флавинадениндинуклеотид
ФМН – окисленный флавинмононуклеотид
цАМФ – циклический аденозин-3′,5′-монофосфат
ЦТК – цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)
ХИМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА УГЛЕВОДОВ
1. Кем впервые был предложен термин «углеводы»?
Термин «углеводы» был впервые предложен К.Г. Шмидтом в 1844 г в связи с тем, что в то время предполагали, что углеводы состоят из углерода и воды и имеют общую формулу СmН2nОn. Действительно, некоторые соединения как, например, глюкоза и фруктоза, имеют формулу С6(Н2О)6, удовлетворяющую данные соотношение. В дальнейшем оказалось, что это не всегда так, однако термин остался и является общепринятым.
2. Какие соединения относят к углеводам?
К углеводам относят органические соединения, содержащие альдегидную или ке-тонную группу и несколько спиртовых групп. Углеводы – важнейшие химические соединения, входящие в состав макро- и микроорганизмов.
3. Какие функции в организме человека и животных выполняют углеводы?
У человека и животных они выполняют ряд важных функций:
• энергетическую (главный вид клеточного топлива);
• структурную (обязательный компонент внутриклеточных структур);
• защитную (входит в структуру иммуноглобулинов);
• биосинтетическую (субстраты для синтеза других веществ)
Например, углеводы используются для синтеза нуклеиновых кислот, входят в состав многих кофакторов (НАД+, НАДФ+, ФАД и др.). Они могут быть субстратами для синтеза соединений других классов, в частности, липидов и некоторых аминокислот. Также, они являются структурными компонентами многих сложных органических соединений, некоторые из которых в организме выполняют важные функции (гликопротеины, гликолипиды).
4. В каком количестве от сухой массы тела присутствуют углеводы в организме человека и животных?
В организме человека и животных углеводы присутствуют в количестве не более 2% от сухой массы тела, в растительных организмах их находится до 80%. В целом, в биосфере углеводов больше, чем всех других органических соединений.
5. Как классифицируются углеводы?
Согласно принятой классификации, углеводы делят на три основные группы:
моносахариды,
олигосахариды,
полисахариды.
МОНОСАХАРИДЫ
6. Какие углеводы являются моносахаридами?
Моносахариды – это производные многоатомных спиртов, молекула которых состоит из углеводородной цепи от трёх до десяти углеродных атомов (С3-С10), имеющие карбонильную группу: альдегидную, либо кетонную:
Моносахариды делят по числу углеродных атомов (С3-С10) на:
триозы (3С)
тетрозы (4С)
пентозы (5С)
гексозы (6С)
гептозы (7С) и т. д.
7. Имеют ли моносахариды стереоизомеры?
Все моносахариды содержат ассиметричные атомы углерода (кроме кетотриозы диоксиацетона) и могут существовать в виде различных стереоизомеров. Изомеры моносахаридов подразделяют на D- и L-формы.
Расположение -Н и -ОН относительно асимметричного углеродного атома, наиболее удаленного от карбонильной группы, определяет принадлежность к D- или L- ряду. Если этот атом имеет ту же конфигурацию, что и у D-глицеринового альдегида, то моносахарид относится к D-ряду, если противоположную – то к L-ряду.
В животных организмах углеводы глюкоза, фруктоза, манноза, галактоза, рибоза относятся к соединениям D-ряда.
8. Какие моносахариды относят к кетозам, а какие к альдозам?
Моносахариды, в структуре которых находится альдегидная группа (Н-С=О), называют альдозами, моносахариды, включающие кето-группу (С=О), называют кетозами. Примером таких моносахаридов являются глюкоза (альдоза) и фруктоза (кетоза):
9. Какие соединения называют аминосахарами?
В организме человека и животных находятся производные моносахаридов, спиртовая ОН-группа которых замещена аминогруппой, -NH2. Такие углеводы относятся к классу аминосахаров, наиболее важными из которых являются D-глюкозамин и D-галактозамин. Аминосахара входят в состав гликозаминогликанов животных организмов и бактерий.
ОЛИГОСАХАРИДЫ
10. Какие углеводы относят к группе олигосахаридов?
Олигосахариды – углеводы, содержащие от 2 до 10 остатков моносахаридов, соединенных гликозидными связями. Наиболее распространенный дисахарид – сахароза, пищевой сахар, состоящий из D-глюкозы и D-фруктозы.
11. Какие связи соединяют моносахариды в молекуле дисахарида?
Моносахариды в молекуле сложных углеводов соединяются между собой гликозидной связью. Гликозидная или О-гликозидная связь образуется в результате реакции дегидратации (удаления Н2О) между двумя ОН-группами двух моносахаридов. Например, дисахарид-сахароза состоит из D-глюкозы и D-фруктозы.
12. Какое строение имеет дисахарид лактоза?
Дисахарид лактоза содержится в молоке и состоит из D-галактозы и D-глюкозы.
ПОЛИСАХАРИДЫ
13. Какие углеводы относят к группе полисахаридов?
Полисахариды являются высокомолекулярными соединениями, состоящими большого количества моносахаридов, соединённых гликозидными связями и образующих линейные или разветвлённые цепи. Общую формулу полисахаридов можно представить в виде: (С6Н10О5)n.
14. Как делятся полисахариды по химическому строению?
Полисахариды по строению делят на две группы:
гомополисахариды, состоящие из моносахаридов одного типа;
гетерополисахариды, состоящие из двух и более видов моносахаридов.
15. Как делят гомополисахариды по функциональному значению?
Гомополисахариды по функциональному значению делят на структурные и резервные полисахариды. Важным структурным гомополисахаридом у растений является целлюлоза. Резервным полисахаридом у растений служит крахмал, а у животных – гликоген.
16. Какое химическое строение крахмала?
В молекуле крахмала различают две структуры гомополисахарида, состоящего из глюкозы: линейная – амилоза и разветвленная – амилопектин.
17. Какую молекулярную массу имеет крахмал?
Крахмал имеет молекулярную массу около 106–107 D.
18. Где содержится крахмал?
Крахмал в небольших количествах содержится в листьях (от 4 до 25%), но он, в основном, накапливается в семенах (в зернах пшеницы, кукурузы, риса, в которых его количество может доходить до 70%) и корнеплодах (клубни картофеля до 30%).
19. Какова химическая структура гомополисахарида гликогена, и где он содержится?
Гликоген является основным полисахаридом животных и человека, состоящего из глюкозы, молекулярная масса гликогена составляет около 107–109 D. Гликоген содержится практически во всех органах и тканях животных и человека, наибольшее количество его обнаружено в печени и мышцах. Молекула гликогена состоит из ветвящихся полигликозидных цепей, в которых остатки глюкозы соединены α-1,4-связями, а в точках ветвления α-1,6-связями. В гликогене α-1,6-связей больше, чем в крахмале. При гидролизе гликоген расщепляется с образованием декстринов, затем мальтозы и глюкозы, конечного продукта.
20. Какое строение имеет гомополисахарид целлюлоза?
Целлюлоза (клетчатка) является наиболее распространенным полисахаридом растений. Молекулярная масса целлюлозы составляет около 106 D. Целлюлоза состоит из D-глюкоз, линейно соединенных между собой β-1,4-гликозидными связями. При полном гидролизе целлюлозы образуется D-глюкоза.
21. Расщепляется ли в пищеварительном тракте человека целлюлоза?
В желудочно-кишечном тракте (ЖКТ) человека нет гидролаз, расщепляющих β-1,4-гликозидные связи. У травоядных животных в кишечнике находятся микроорганизмы, способные расщеплять β-1,4-гликозидные связи. Поэтому целлюлоза для этих животных является важным источником питания.
22. Где содержится целлюлоза?
Листья растений содержат от 15 до 30% клетчатки, в древесине количество ее доходит до 50–70% от общей массы, а в волокнах льна и хлопка до 98%.
23. Какие гетерополисахариды нам известны?
Важнейшими представителями гетерополисахаридов или гликозаминогликанов являются углеводы, молекулы которых состоят из аминосахаров и уроновых кислот. Гликозаминогликаны являются структурными компонентами костей и соединительной ткани.
24. Какие гетерополисахариды относят к протеогликанам?
Гликозаминогликаны, соединяясь с белками, образуют протеогликаны, состав которых на 80-95% представлен углеводами.
ОБМЕН УГЛЕВОДОВ
25. Какие процессы включает обмен углеводов?
Обмен углеводов включает следующие процессы:
• Расщепление/гидролиз сложных углеводов в желудочно-кишечном тракте до
моносахаридов;
• Всасывание моносахаридов из кишечника в кровь;
• Внутриклеточное окисление глюкозы/гликолиз;
• Синтез и распад гликогена в тканях (печень, мышцы);
• Синтез глюкозы/глюконеогенез;
• Взаимопревращения гексоз;
• Пентозофосфатный путь окисления глюкозы.
26. Какой углевод наиболее широко представлен в организме животных?
Наиболее распространённым углеводом в организме животных является глюкоза. Поскольку из глюкозы могут образоваться другие моносахариды организма и, наоборот, другие моносахариды могут превращаться в глюкозу, она играет центральную роль в обмене углеводов.
ПЕРЕВАРИВАНИЕ УГЛЕВОДОВ В ЖЕЛУДОЧНО-КИШЕЧНОМ ТРАКТЕ
27. Какие ферменты участвуют в переваривании углеводов в пищеварительном тракте?
Поступающие с пищей углеводы в желудочно-кишечном тракте распадаются на мономеры под действием ферментов-гликозидаз, амилазы, мальтазы, сахаразы, лактазы, катализирующих гидролиз гликозидных связей.
28. Где начинается распад углеводов у человека?
Расщепление крахмала у человека и у небольшого количества видов животных начинается в ротовой полости под действием ферментов слюны α-амилазы и мальтазы. Под влиянием этих ферментов происходит распад крахмала. Однако в ротовой полости гидролиз крахмала (или гликогена) незначительный, вследствие нахождения пищи в ней непродолжительное время.
29. Происходит ли распад углеводов в желудке?
В желудке человека соляная кислота (HCl) создаёт сильно кислую среду (рН 1,5–2,5), поэтому, действие амилазы в желудке прекращается. Кроме того, желудочный сок не содержит ферментов, участвующих в распаде углеводов.
30. Какие процессы с углеводами происходят в тонком кишечнике?
Наиболее важная фаза распада углеводов происходит в тонком кишечнике под действием α-1,4-амилазы и олиго-α-1,6-гликозидазы, секретируемых из поджелудочной железы. Эти ферменты гидролизуют крахмал и гликоген до декстринов, распад которых завершается образованием глюкозы. Образующаяся в процессе распада крахмала и гликогена дисахарид-мальтоза под влиянием мальтазы гидролизуется до двух молекул глюкозы. Стенкой тонкого кишечника секретируются дисахаридазы, мальтаза, сахараза и лактаза. Сахараза расщепляет сахарозу на глюкозу и фруктозу, а лактаза – лактозу на глюкозу и галактозу.
31. Каким образом моносахариды попадают в кровь?
Моносахариды всасываются в клетки кишечной стенки и затем попадают в кровь. Транспорт моносахаридов через мембрану клеток кишечника осуществляется с помощью специальных мембранных белков-переносчиков. Скорость всасывания моносахаридов различна: быстрее всего всасывается D-галактоза, затем D-глюкоза и D-фруктоза. Пентозы (рибоза) всасываются медленнее, чем гексозы.
32. Какие процессы происходят с моносахаридами, поступившими в кровь?
Моносахариды, поступившие в кровь, по воротной вене доставляются в печень. В клетках печени значительная часть глюкозы и других моносахаридов фосфорилируется. Фосфорные эфиры моносахаридов легко изомеризуются друг в друга. Часть свободной глюкозы используется для синтеза гликогена, который откладывается в качестве запаса углеводов в гепатоцитах. Другая часть глюкозы поступает в большой круг кровообращения и транспортируется ко всем тканям организма. Благодаря гликогену, который при необходимости может расщепляться до глюкозы, поддерживается в крови её постоянный уровень.
33. Какое содержание глюкозы в крови в норме у человека?
У человека нормальное содержание глюкозы в крови составляет 3,33–5,55 ммоль/л.
КАТАБОЛИЗМ УГЛЕВОДОВ В ТКАНЯХ ОРГАНИЗМА
34. Какие существуют пути распада/катаболизма глюкозы в организме?
Существует два пути катаболизма глюкозы:
• аэробный – в присутствии кислорода;
• анаэробный – в отсутствии кислорода.
35. Какие превращения глюкозы являются анаэробными?
К анаэробным превращениям глюкозы относятся:
• гликолиз,
• гликогенолиз,
• спиртовое брожение (только у микроорганизмов).
ГЛИКОЛИЗ
36. Какой процесс называют гликолизом?
Гликолиз – это ферментативное окисление глюкозы, протекающее с образованием двух молекул молочной кислоты в анаэробных (бескислородных) условиях, в процессе которого образуется небольшое количество АТФ.
37. Как представляется схема распада глюкозы в анаэробных условиях?
Процесс распада глюкозы до молочной кислоты представлен на схеме:
Гликолиз протекает в клетках тканей человека и животных. Молочная кислота является конечным продуктом анаэробного окисления глюкозы.
38. Какова схема распада глюкозы в аэробных условиях?
При аэробном, то есть, в присутствии кислорода процесс распада глюкозы, как показано на схеме, явлется более сложным:
39. Какой процесс называют аэробным гликолизом?
Стадия превращения глюкозы до пирувата одинакова при аэробных и анаэробных условиях. При аэробном гликолизе образованный из глюкозы пируват поступает в матрикс митохондрий, где окислительно декарбоксилируется до ацетил-КоА. Затем
ацетил-КоА поступает в цикл трикарбоновых кислот (ЦТК, цикл Кребса), где он окисляется и декарбоксилируется. Цикл трикарбоновых кислот и сопряженная с ним цепь переноса электронов, расположенная на внутренней мембране митохондрий, позволяют получить большое количество АТФ.
40. Какие виды реакций происходят при гликолизе?
При гликолизе происходят следующие реакции:
1) Перенос фосфатной группы. Фосфатная группа переносится от АТФ на промежуточный продукт гликолиза или наоборот, от макроэргических фосфорсодержащих субстратов на АДФ.
2) Перемещение фосфатной группы. Фосфатная группа перемещается внутри молекулы от одного кислородного атома к другому.
3) Изомеризация. Кетоза превращается в альдозу и наоборот.
4) Альдолазное расщепление связи С—С.
5) Окисление глицеральдегид-3-фосфата в 1,3-бисфосфоглицерат.
6) Дегидратация. Отщепление молекулы воды.
41. Где в клетках локализован полиферментный комплекс гликолиза?
Ферменты гликолиза локализованы в цитозоле клетки. Глюкоза проникает в клетку с помощью специального переносчика и вторичного активного транспорта.
42. Как протекает первая реакция гликолиза?
Первой реакцией гликолиза является фосфорилирование глюкозы. Перенос фосфатной группы с АТФ к гидроксильной группе при С-6 глюкозы катализируется гексокиназой. Это первая необратимая реакция гликолиза.
Гексокиназа способна катализировать фосфорилирование не только D–глюкозы, но и другие гексозы D-ряда.
43. Что происходит во второй реакции гликолиза?
Второй реакцией гликолиза является изомеризация, превращение глюкозо-6-фосфата во фруктозо-6-фосфат. Шестичленное пиранозное кольцо глюкозо-6-фосфата превращается в пятичленное фуранозное кольцо фруктозо-6-фосфата. Происходит превращение альдозы в кетозу. Реакция протекает в обоих направлениях и катализируется глюкозо-6-фосфатизомеразой.
44. Как протекает третья стадия гликолиза?
За стадией изомеризации следует вторая реакция фосфорилирования. Образовавшийся фруктозо-6-фосфат фосфорилируется за счёт АТФ с образованием фруктозо-1,6-бисфосфата. Реакция катализируется ферментом фосфофруктокиназой. Это самая медленно протекающая реакция гликолиза, определяющая скорость гликолиза.
45. Что происходит в четвёртой реакции гликолиза?
В четвертой реакции гликолиза происходит расщепление фруктозо-1,6-бисфосфата с образованием двух фосфотриоз: глицеральдегид-3-фосфата и диоксиацетон-3-фосфата. Реакция катализируется альдолазой и является обратимой.
46. Как протекает пятая реакция гликолиза?
В пятой реакции происходит изомеризация триозофосфатов под действием триозофосфатизомеразы. Равновесие данной изомеразной реакции сдвинуто в сторону образования диоксиацетон-3-фосфата (95%), глицеральдегид-3-фосфата образуется только около 5%. В следующей (шестой) реакции гликолиза происходит окисление глицеральдегид-3-фосфата. Уменьшение содержания глицеральдегид-3-фосфата активирует превращение диоксиацетон-3-фосфата в глицеральдегид-3-фосфат. Этой стадией завершается первый этап гликолиза.
47. Что происходит в шестой реакции гликолиза?
В шестой реакции гликолиза происходит окисление глицеральдегид-3-фосфата в 1,3-бисфосфоглицерат под действием глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы. В этой окислительно-восстановительной реакции происходит генерирование высокоэнергетического фосфатного соединения 1,3-бисфосфоглицерата с макроэргической связью. Образование 1,3-бисфосфоглицерата представляет собой пример фосфорилирования на субстратном уровне.
48. Как протекает седьмая реакция гликолиза?
В седьмой реакции происходит расщепление макроэргической связи и передача богатой энергией фосфатной группы в положении С-1 на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицериновой кислоты (3-фосфоглицерата). Эта реакция, катализируемая фосфоглицераткиназой, представляет процесс окисления, сопряжённый с фосфорилированием АДФ на уровне субстрата.
49. Что такое субстратное фосфорилирование?
Образование АТФ за счет макроэргических соединений называется субстратным фосфорилированием. Пример: 7-я и 10-я реакции гликолиза.
50. Как можно охарактеризовать субстратное фосфорилирование?
Если макроэргическая связь образуется в момент непосредственного окисления субстрата, а затем передается на фосфатный остаток, участвующий в синтезе АТФ, то такое окисление называется окислением, сопряженным с фосфорилированием АДФ на уровне субстрата или субстратным фосфорилированием.
51. Назовите пример реакции с субстратным фосфорилированием.
Эта реакция, катализируемая фосфоглицераткиназой, представляет процесс окисления, сопряжённый с фосфорилированием АДФ на уровне субстрата.
52. Как протекает восьмая реакция гликолиза?
В следующей реакции гликолиза происходит внутримолекулярный перенос фосфатной группы. 3-Фосфоглицериновая кислота превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту (2-фосфоглицерат) при участии фосфоглицеромутазы.
53. Что происходит в девятой реакции гликолиза?
В результате дегидратации 2-фосфоглицерата в последующей реакции гликолиза образуется фосфоенолпируват. Образование фосфоенолпирувата катализируется енолазой, которая активируется Mg2+ или Mn2+. Фосфатная связь при С-2 фосфоенолпирувата является высокоэнергетической.
54. Как протекает десятая реакция гликолиза?
В десятой реакции происходит разрыв высокоэнергетической связи и перенос фосфатного остатка от фосфоенолпирувата на АДФ с образованием АТФ (субстратное фосфорилирование). Реакция катализируется пируваткиназой, активируемой ионами Mg2+, К+.
55. Что происходит в одиннадцатой реакции гликолиза?
В одиннадцатой реакции происходит восстановление пирувата в лактат. Реакцию катализирует лактатдегидрогеназа (ЛДГ) с помощью кофермента НАДН(Н+), образованного в шестой реакции.
56. Какой процесс называется гликолитической оксидоредукцией?
НАД+ играет роль промежуточного переносчика водорода от глицеральдегид-3-фосфата (6-я реакция) на пируват (11-я реакция), при этом он участвует в циклическом процессе. Этот процесс называется гликолитической оксидоредукцией. Благодаря гликолитической оксидоредукции осуществляется поддержание в клетке гликолиза.
57. Как выглядит последовательность протекающих реакций при гликолизе, и какие ферменты участвуют в этих реакциях?
58. В чём заключается биологическое значение гликолиза?
Биологическое значение гликолиза заключается в образовании АТФ в результате окисления глюкозы. В процессе гликолиза образуются промежуточные метаболиты, необходимые для синтеза необходимых клетке веществ, липидов и аминокислот.
РЕГУЛЯЦИЯ ГЛИКОЛИЗА
59. Какие ферменты являются ключевыми в регуляции гликолиза?
Регуляция гликолиза осуществляется благодаря контролю активности ключевых ферментов: фосфофруктокиназы, гексокиназы и пируваткиназы.
60. Какова роль фосфофруктокиназы в регуляции гликолиза?
Фосфофруктокиназа является ключевым ферментом гликолиза. Являясь аллостерическим ферментом, фосфофруктокиназа ингибируется высокими концентрациями АТФ и активируется АМФ. Фермент наиболее активен, когда клетке необходима энергия АТФ, и отношение АТФ/АМФ является низким. Аллостерическим ингибитором фосфофруктокиназы является цитрат, поступающий в цитоплазму из митохондрий, если подавляется цикл Кребса. Активность фосфофруктокиназы максимально подавляется при высоком содержании в клетке АТФ и цитрата.
61. Как осуществляется регуляция гликолиза, контролируя активность гексокиназы и пируваткиназы?
Гексокиназа ингибируется глюкозо-6-фосфатом, который накапливается, когда фосфофруктокиназа неактивна. Глюкозо-6-фосфат одновременно является продуктом реакции гексокиназы и её аллостерическим ингибитором. АТФ является аллостерическим ингибитором пируваткиназы, поэтому, повышение его содержания в клетке блокирует превращение фосфоенолпирувата в пируват.
ГЛИКОГЕНОЛИЗ
62. Какой процесс называется анаэробным гликогенолизом?
Процесс анаэробного (в отсутствии О2) распада гликогена до молочной кислоты называется анаэробным гликогенолизом.
63. Как осуществляется гликогенолиз?
На схеме представлен процесс гликогенолиза:
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ГЛИКОЛИЗА И ГЛИКОГЕНОЛИЗА
64. Какой энергетический эффект/итог гликолиза и гликогенолиза?
Энергетический итог анаэробного окисления глюкозы и гликогена легко подсчитать согласно реакциям, представленным на схеме:
ГОРМОНАЛЬНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ФОСФОРОЛИТИЧЕСКОГО РАСПАДА ГЛИКОГЕНА
65. Под влиянием каких факторов осуществляется фосфоролитический распад гликогена?
Фосфоролитический распад гликогена (гликогенолиз) до глюкозо-l-фосфата активируется гормонами, адреналином и глюкагоном. Эти гормоны активируют внутриклеточные ферменты, осуществляющие гликогенолиз, по аденилатциклазному механизму. Образующийся аденилатциклазой цАМФ является аллостерическим активатором протеинкиназы А, которая активирует киназу гликогенфосфорилазы. Под действием киназы гликогенфосфорилазы активируется гликогенфосфорилаза, расщепляющая гликоген до глюкозы-1-фосфата.
66. Какое влияние оказывает адреналин и глюкагон в распаде гликогена?
Адреналин и глюкагон связываются со своими рецепторами на плазматической мембране клетки, активируя аденилатциклазу, которая образует из АТФ цАМФ. Последовательность происходящих реакций под действием адреналина и глюкагона представлена на схеме:
67. Какую реакцию катализирует активная аденилатциклаза?
Аденилатциклаза из АТФ образует цАМФ, аллостерический активатор протеинкиназы А. В отсутствие цАМФ протеинкиназа А неактивна.
68. Какова роль активной протеинкиназы А?
Активная протеинкиназа А активирует киназу фосфорилазы b, которая из неактивной формы переходит в активную, киназу фосфорилазы a.
69. Какова дальнейшая роль киназы фосфорилазы a?
Активная киназа фосфорилазы a катализирует реакцию активации гликоген фосфорилазы b в фосфорилазу a, согласно схеме:
Фосфорилаза b состоит из двух субъединиц (димер), а активная фосфорилаза a является тетрамером. Для фосфорилирования фосфорилазы b необходимо 4 молекулы АТФ.
70. Какую реакцию катализирует фосфорилаза a на заключительном этапе распада гликогена?
Фосфорилаза a катализирует реакцию распада гликогена до глюкозо-1-фосфата. Повышение содержания адреналина в крови приводит к освобождению глюкозы в виде глюкозо-1-фосфата, превращающегося под действием фосфоглюкомутазы в глюкозо-6-фосфат, согласно схеме:
71. Как происходит образование свободной глюкозы?
Образование свободной глюкозы из глюкозо-6-фосфата в печени происходит при участии глюкозо-6-фосфатазы, катализирующей гидролитическое отщепление фосфата, как указано на схеме:
Свободная глюкоза может легко выходить из клеток печени в кровь, поддерживая нормальный уровень глюкозы в крови.
72. Глюкозо-6-фосфатаза содержится в клетках мышечной ткани?
Глюкозо-6-фосфатаза содержится в клетках печени, в мышечной ткани она практически отсутствует.
73. Может ли глюкозо-6-фосфат включаться в гликолиз?
Образовавшийся глюкозо-6-фосфат может включаться в гликолиз, превращаясь во фруктозо-6-фосфат.
74. Существует ли кроме гликолиза и гликогенолиза ещё вариант анаэробного распада углеводов?
Помимо гликогенолиза и гликолиза существует еще один вариант анаэробного распада углеводов, спиртовое брожение, которое осуществляется только микроорганизмами.
БИОСИНТЕЗ ГЛЮКОЗЫ – ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ
75. Какой процесс называют глюконеогенезом?
Синтез глюкозы из неуглеводных продуктов называется глюконеогенезом.
76. Какие соединения могут служить предшественниками глюкозы?
Основными неуглеводными предшественниками глюкозы служат лактат, пируват, оксалоацетат, гликогенные аминокислоты, глицерол.
77. В каком органе наиболее интенсивно протекает глюконеогенез?
Глюконеогенез наиболее интенсивно происходит в печени. В меньшей степени этот процесс протекает в корковом слое почек, в скелетной и сердечной мышцах.
78. Как можно представить синтез глюкозы из лактата и пирувата?
Стадии синтеза глюкозы из лактата и пирувата, представляющие обратный путь гликолиза, показаны на рисунке. Большинство стадий гликолиза являются обратимыми, кроме трёх реакций, катализируемых гексокиназой (1), фосфофруктокиназой (3) и пируваткиназой (10).
79. Назовите стадии глюконеогенеза, которые при синтезе глюкозы из пирувата и лактата считают «обходными», то есть, необратимыми.
10 – Превращение пирувата в фосфоенолпируват.
3 – Превращение фруктозо-1,6-бисфосфата во фруктозо-6-фосфат.
1 – Образование глюкозы из глюкозо-6-фосфата.
80. Где происходит превращение пирувата в фосфоенолпируват?
Чтобы обойти необратимую десятую реакцию гликолиза, превращение пирувата в фосфоенолпируват, для этого необходимо несколько стадий. Первая стадия проходит в матриксе митохондрии, вторая – в цитозоле клетки.
81. Как происходит превращение пирувата в фосфоенолпируват?
На первой стадии в митохондрии пируваткарбоксилаза катализирует реакцию образования оксалоацетата с затратой АТФ и использованием СО2, как представлено на схеме:
82. Проницаема ли мембрана митохондрий для оксалоацетата?
Мембрана митохондрий не проницаема для оксалоацетата, поэтому, он не может выйти из митохондрии в цитозоль. Поэтому, оксалоацетат восстанавливается в малат малатдегидрогеназой (МДГ), использующей НАДН(Н+). Для малата есть в мембране митохондрий переносчик, и он легко проникает через митохондриальную мембрану в цитозоль. В цитозоле малат окисляется МДГ обратно в оксалоацетат, восстанавливая НАД+ в НАДН(Н+).
83. Где протекает реакция превращения оксалоацетата в фосфоенолпируват?
Образовавшийся оксалоацетат превращается в фосфоенолпируват в цитозоле клетки под действием фосфоенолпируваткарбоксикиназы, использующей ГТФ, как источник фосфата.
84. Как можно обойти необратимую реакцию превращения фруктозо-1,6-бисфосфата во фруктозо-6-фосфат?
Последующие реакции обратного пути гликолиза обратимы до образования фрукто-зо-1,6-бисфосфата. Для того, чтобы обойти третью необратимую реакцию гликолиза, для глюконеогенеза необходима фруктозобисфосфатаза, катализирующая реакцию, указанную на схеме:
85. Может ли происходить образование глюкозы в тканях человека и животных из ацетил-коА?
Образование глюкозы в тканях человека и животных из ацетил-КоА невозможно, так как ацетил-КоА не может превращаться в пировиноградную кислоту. В организме ацетил-КоА образуется при окислении жирных кислот, поэтому, атомы углерода жирных кислот не могут использоваться для глюконеогенеза.
РЕГУЛЯЦИЯ ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗА
86. Как регулируются глюконеогенез и гликолиз?
Глюконеогенез и гликолиз регулируются реципрокно: когда активность одного из этих путей находится на относительно низком уровне, другой – высокоактивен.
87. Какое значение для организма имеет глюконеогенез?
Глюконеогенез имеет важное значение, потому что метаболизм некоторых тканей, например, клеток головного мозга находится в прямой зависимости от количества глюкозы, являющейся основным источником энергии. При длительном голодании, а также при интенсивной физической нагрузке для обеспечения нормальной жизнедеятельности организма глюкоза должна синтезироваться из неуглеводных источников.
88. Регуляция какого фермента является самым важным для глюконеогенеза?
Пируваткарбоксилаза является самым важным ферментом, от активности которого зависит уровень глюконеогенеза.
89. Какие другие ферменты могут регулировать глюконеогенез?
Также, регуляторным ферментом является фруктозо-1,6-бисфосфатаза, активность которой ингибируется АМФ. Для фермента гликолиза фосфофруктокиназы АМФ является аллостерическим активатором.
90. Какие ещё существуют пути регуляции глюконеогенеза и гликолиза?
Помимо прямого регулирования глюконеогенеза, существует опосредованная регуляция через изменение активности ферментов, не участвующих в синтезе глюкозы. Например, фермент пируваткиназа существует в двух формах – L и M. Форма L (от англ. liver – печень) ингибируется избытком АТФ и аминокислотами. Форма М (от англ. muscle – мышца) не регулируется. Когда в клетке достаточно высокий уровень энергии, происходит ингибирование L-формы пируваткиназы, и скорость гликолиза замедляется, создавая условия для глюконеогенеза.
91. Какие субстраты являются основными для глюконеогенеза?
Основными исходными субстратами для глюконеогенеза являются пируват и лактат. Плазматические мембраны большинства клеток обладают высокой проницаемостью для лактата и пирувата. Эти соединения легко проникают из активной скелетной мышцы в кровь и переносятся в печень. Лактат в печени окисляется лактатдегидрогеназой (ЛДГ) в пируват, из которого синтезируется глюкоза. Глюкоза из печени поступает в кровь и транспортируется в скелетные мышцы, где окисляется до пирувата или лактата.
92. Каким образом можно представить взаимосвязь процессов синтеза и окисления глюкозы (цикл Кори)?
ГЛИКОГЕНЕЗ
93. Какой процесс называют гликогенезом?
Путь биосинтеза гликогена из глюкозы называется гликогенезом.
94. Что происходит с глюкозой в печени?
В печени глюкоза фосфорилируется, превращаясь в глюкозо-6-фосфат:
95. В какое соединение в печени может превратиться глюкозо-6-фосфат?
Образовавшийся глюкозо-6-фосфат превращается в глюкозо-1-фосфат. Эта обратимая реакция катализируется фосфоглюкомутазой.
96. Какой источник энергии, кроме АТФ, необходим для гликогенеза?
Образованный глюкозо-1-фосфат соединяет с УДФ с образованием уридиндифосфатглюкозы УДФ-глюкопирофосфорилаза.
УДФ-глюкопирофосфорилаза в качестве источника энергии использует УТФ.
97. Какой процесс происходит в заключительной стадии гликогенеза?
Непосредственный синтез гликогена осуществляется под действием фермента гликогенсинтазы, которая переносит глюкозу от УДФ-глюкоза и присоединяет её к растущей цепочке гликогена (С6Н12О6)n → С6Н12О6)n+1.
98. Какие связи возникают при непосредственном синтезе гликогена?
Во время синтеза гликогена образуются α-1,4-гликозидные связи. Регенерация УДФ в УТФ совершается при участии АТФ, и образовавшийся УТФ вновь вовлекается в гликогенез.
99. Что служит в качестве затравки для фермента гликогенсинтазы в печени?
В качестве затравки для гликогенсинтазы служит полисахаридная цепь, имеющая связь α –(1, 4) по крайней мере между четырьмя остатками глюкозы.
100. Под действием какого фермента осуществляется ветвление гликогена?
Ветвление гликогена осуществляется под действием фермента амило-1,4→ 1,6-глюкозилтрансферазы.
101. В каких тканях и органах депонируется гликоген?
Гликоген откладывается в основном в печени и мышцах, меньше его в других органах и тканях.
102. Можно ли рассматривать гликоген как резервную форму накопления глюкозы в организме?
Гликоген является резервной формой накопления глюкозы в организме. В случае повышения энергозатрат происходит распад гликогена и образование глюкозы. Распад гликогена в клетках печени, в основном, необходим для поддержания нормального уровня глюкозы в крови. Мышечный гликоген для этой цели не используется, так как в клетках мышц нет фермента глюкозо-6-фосфатазы.
АЭРОБНОЕ ОКИСЛЕНИЕ УГЛЕВОДОВ
103. Как можно рассматривать аэробный путь распада глюкозы?
Путь аэробного окисления глюкозы можно представить следующим образом:
Пируват, образовавшийся при окислении глюкозы, не восстанавливается до лактата в аэробных условиях (+О2), а окисляется до СО2 и Н2О.
ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ ПИРОВИНОГРАДНОЙ КИСЛОТЫ
104. Какой процесс называют окислительным декарбоксилированием пирувата?
Процесс окисления пирувата до ацетил-КоА называется окислительным декарбоксилированием.
105. Где осуществляется окислительное декарбоксилирование пирувата?
Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты происходит в матриксе митохондрий при участии нескольких ферментов и коферментов. Они представляют мультиферментный пируватдегигидрогеназный комплекс, включающий пять последовательных реакций.
106. Какие ферменты и коферменты входят в пируватдегидрогеназный комплекс?
В пируватдегидрогеназный комплекс входят 3 фермента:
Е1 – пируватдекарбоксилаза (пируватдегидрогеназа);
Е2 – дигидролипоилтрансацетилаза (дигидролипоилацетилтрансфераза);
Е3 – дигидролипоилдегидрогеназа
и 5 коферментов:
• ТПФ
• Амид липоевой кислоты (ЛК)
• Коэнзим-А
• ФАД
• НАД+.
107. Какова последовательность превращений пирувата до ацетил-КоА в пируватдегидрогеназном комплексе?
Механизм окислительного декарбоксилирования пирувата осуществляется по следующей схеме:
108. Какой процесс происходит на первой стадии окислительного декарбоксилирования пирувата?
На 1-й стадии пируват теряет свою карбоксильную группу (декарбоксилирование) в результате взаимодействия с тиаминпирофосфатом (ТПФ) в составе активного центра фермента пируватдекарбоксилазы (Е1).
109. Какой процесс происходит на второй стадии окислительного декарбоксилирования пирувата?
На 2-й стадии гидроксиэтильная группа, связанная с ТПФ, окисляется с образованием ацетильной группы и переносится на липоамид. Реакция катализируется дигидролипоилацетилтрансферазой (Е2).
110. Что происходит на третьей стадии окислительного декарбоксилирования пирувата?
На 3-й стадии ацетильная группа переносится с ацетиллипоамида на коэнзим КоА (HS-КоА), образуя ацетил-КоА, высокоэнергетическое соединение. Этот процесс катализируется также дигидролипоилацетилтрансферазой (Е2).
111. Что происходит на четвёртой стадии окислительного декарбоксилирования пирувата?
На 4-й стадии происходит восстановление окисленной формы липоамида. Реакция катализируется ферментом дигидролипоилдегидрогеназой (Е3).
112. Чем завершается пятая стадия окислительного декарбоксилирования пирувата?
На 5-й стадии этого процесса восстановленный кофермент ФАДН2 дигидролипоилдегидрогеназы передает водород на кофермент НАД+ с образованием НАДН(Н+).
113. Как можно представить суммарную реакцию окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты?
Суммарную реакцию окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты можно представить в следующем виде:
114. Чему равен энергетический эффект окислительного декарбоксилирования одной молекулы пировиноградной кислоты?
При окислительном декарбоксилировании пировиноградной кислоты образуется одна молекула НАДН(Н+) (НАДН2). Этот восстановленный кофермент является донором протонов (2Н+) и электронов (2ē) для дыхательной цепи, расположенной на внутренней мембране митохондрий. При прохождении по цепи переноса 2ē происходит синтез 2,5 молекул АТФ из АДФ в процессе окислительного фосфорилирования. Следовательно, энергетический эффект окислительного декарбоксилирования одной молекулы пировиноградной кислоты равен 2,5 АТФ.
115. Обратима ли реакция окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты?
Реакция окислительного декарбоксилирования практически необратима.
116. Что происходит с ацетил-КоА, образовавшимся в процессе окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты?
Образовавшийся в процессе окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты ацетил-КоА подвергается окислению в цикле трикарбоновых кислот (Кребса).
117. Чем может ингибироваться окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты?
Ингибитором окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты является АТФ. Накопление АТФ в клетке приводит к подавлению активности пируватдегидрогеназного комплекса. Следовательно, происходит прекращение образования ацетил-КоА, необходимого для цикла трикарбоновых кислот.
ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ (ЦТК КРЕБСА)
118. Кем был открыт цикл трикарбоновых кислот?
Англо-немецкий биохимик Г. Кребс, используя срезы печени и почек, изучал скорость окисления различных соединений. Он получил важные данные, наблюдая очень быстрое окисление цитрата, сукцината, фумарата и ацетата. В дальнейшем был внесён большой вклад в изучение ЦТК биохимиками А.Сент-Дьерди, А.Ленинджером, Р.Липманом, С.Е.Севериным. Открытие синтеза цитрата из оксалоацетата позволило Г. Кребсу построить полную схему процесса. За открытие этого цикла Кребса, известного также как цикл трикарбоновых кислот, ЦТК, в 1953 г. Г. Кребс был удостоен Нобелевской премии. ЦТК представляет конечный путь распада/окисления углеводов, триацилглицеролов, аминокислот. Кроме того, его считают «амфиболическим путём» – связующим звеном между анаболизмом и катаболизмом веществ.
119. Почему ЦТК называют «амфиболическим»?
В цикле Кребса в процессе окисления образуются промежуточные продукты, необходимые для синтеза гема (Сукцинил-КоА) и глутамата (α-кето-глутарат).
120. Как выглядит схема цикла трикарбоновых кислот?
121. Где локализован цикл трикарбоновых кислот?
Полиферментный комплекс ЦТК находится в матриксе митохондрий в отличие от гликолиза, который локализован в цитозоле. В результате одного цикла молекула ацетил-КоА окисляется до СО2 и Н2О.
122. Что происходит в первой реакции цикла Кребса?
Цикл начинается с присоединения ацетил-КоА к оксалоацетату с образованием цитрата. Реакцию катализирует цитратсинтаза, использующая для образования цитрата энергию макроэргической связи ацетил-КоА. Аллостерическим ингибитором цитратсинтазы является АТФ.
123. Как протекает вторая реакция цикла Кребса?
Образовавшаяся лимонная кислота подвергается дегидратированию с образованием цис-аконитовой кислоты, которая, после присоединения молекулы воды, превращается в изоцитрат.
124. Что происходит в третьей реакции цикла Кребса?
В третьей реакции происходит окислительное декарбоксилирование изоцитрата, с образованием α-кетоглутарата. Эту вторую регуляторную реакцию катализирует изоцитратдегидрогеназа (ИЦДГ), которой необходимы ионы Mg2+ или Mn2+. АДФ является ингибитором ИЦДГ.
125. Как проходит четвёртая реакция цикла Кребса?
В четвертой реакции происходит окислительное декарбоксилирование α-кетоглутарата с образованием высокоэнергетического соединения сукцинил-КоА. Это третья регуляторная реакция, катализируемая α-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом, который по своей структуре похож на пируватдегидрогеназный комплекс.
126. Какие коферменты необходимы для окислительного декарбоксилирования α-кетоглутарата?
В состав α-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса входят 5 коферментов:
• ТПФ
• Липоамид
• HS-КоА
• ФАД
• НАД+
Реакция ингибируется образованными её продуктами, сукцинил-КоА и НАДН+.
127. Что происходит в пятой реакции цикла Кребса?
В пятой реакции сукцинил-КоА-синтетаза превращает сукцинил-КоА в сукцинат, используя ГДФ и неорганический фосфат. В процессе реакции образуется ГТФ, соединение с высокоэнергической фосфатной связью (субстратное фосфорилирование).
128. Как протекает шестая реакция цикла Кребса?
В шестой реакции сукцинатдегидрогеназа сукцинат окисляется в фумарат, используя кофермент ФАД, являющийся акцептором 2Н+ и 2ē (ФАДН2).
129. Что происходит в седьмой реакции цикла Кребса?
Образовавшийся фумарат превращается в малат под влиянием фумаратгидратазы.
130. Как протекает восьмая реакция цикла Кребса?
В ходе восьмой реакции малат окисляется малатдегидрогеназой (МДГ) в оксалоацетат. Митохондриальная НАД+-зависимая малатдегидрогеназа генерирует НАДН(Н+).
131. Каков энергетический эффект цикла Кребса?
В процессе окисления ацетил-КоА образуется три НАДН(Н+), которые являются донорами протонов и электронов для дыхательной цепи (ДЦ). И в результате сопряжённого окислительного фосфорилирования образуется по 2,5 АТФ, следовательно, в итоге 7,5 АТФ. Сукцинатдегидрогеназа восстанавливает ФАД в ФАДН2, который являясь донором протонов и электронов для ДЦ. Они, попадая в систему транспорта электронов через КоQ, способствуют образованию 1,5 АТФ. В цикле Кребса за счет субстратного фосфорилирования синтезируется одна молекула ГТФ, которая равнозначна одной молекуле АТФ. Таким образом, при окислении одной молекулы ацетил-КоА в цикле Кребса при сопряжении (взаимосвязи) с окислительным фосфорилированием может образоваться 10 молекул АТФ (7,5 + 1,5 +1 =10 АТФ).
Для непрерывной работы цикла необходимо постоянное поступление ацетил-КоА и коферментов НАД+ и ФАД, которые отдают в ДЦ протоны и электроны, окисляясь и вновь возвращаясь в ЦТК в окисленной форме.
132. Каков энергетический эффект аэробного окисления глюкозы?
Полное (аэробное) окисление глюкозы до СО2 и Н2О можно представить следующей схемой:
Таким образом, расчёт энергетического эффекта аэробного гликолиза (окисления глюкозы) в клетке можно представить в виде трёх этапов:
1. Энергетический эффект аэробного гликолиза суммируется из 2 молекул АТФ (ре-акция VII и X гликолиза) и 5 молекул АТФ (2 молекулы НАДН(Н+) в VI реакции не затрачиваются в ХI реакции, так как распад идет до пирувата). Итог этой стадии 7 молекул АТФ.
2. 5 молекул АТФ даёт стадия окислительного декарбоксилирования 2 молекул пи-рувата (2 НАДН(Н+) → 5 АТФ).
3. Окисление 2 молекул ацетил-КоА в цикле Кребса и системе окислительного фос-форилирования может дать 20 молекул АТФ: 2 (3 НАДН(Н+) + 1 ФАДН2 + 1ГТФ).
Таким образом, суммируя все вышеописанные расчеты, энергетический эффект полного распада одной молекулы глюкозы равен 32АТФ (7АТФ + 5АТФ + 20АТФ).
Аэробное окисление одной молекулы глюкозы энергетически более выгодное, чем окисление одной молекулы глюкозы в анаэробных условиях (2АТФ).
133. Как осуществляется регуляция цикла трикарбоновых кислот?
Скорость цикла Кребса зависит от потребности клетки в АТФ. Регуляторными реакциями цикла являются:
Синтез цитрата из оксалоацетата и ацетил-КоА. Реакция катализируется цитратсинтазой. АТФ является её аллостерическим ингибитором.
Превращение изоцитрата в α-кетоглутарат изоцитратдегидрогеназой. Фермент аллостерически активируется АДФ, ингибируется НАДН(Н+).
α-кетоглутаратдегидрогеназа катализирует превращение α- кетоглутарата в сукцинил-КоА. Фермент ингибируется сукцинил-КоА и НАДН(Н+).
Снижение скорости потребления глюкозы и прекращения накопления лактата в присутствии кислорода называется эффектом Пастера.
ПЕНТОЗОФОСФАТНЫЙ ПУТЬ ОКИСЛЕНИЯ УГЛЕВОДОВ
134. Какой кофермент является источником восстановленного эквивалента при окислении глюкозы в пентозофосфатном пути (ПФП) в клетках?
Источником восстановленного эквивалента ПФП в клетках является НАДФН(Н+), отличающийся от НАДН(Н+) наличием фосфатной группы у второго углеродного атома рибозы (АМФ).
135. В чём заключается различие коферментов НАД+ и НАДФ+?
Различие коферментов НАД+ и НАДФ+ в большинстве химических реакций существенно. НАДН(Н+) окисляется в дыхательной цепи с сопряженным образованием АТФ. НАДФН(Н+) является донором водорода (протонов и электронов) при восстановительных биосинтезах веществ.
136. Какой путь окисления глюкозы называют пентозофосфатным путём (ПФП)?
Путь прямого окисления глюкозы, который связан с образованием восстановленного НАДФН(Н+) и пентоз (рибозы), называется пентозофосфатным путем.
137. Где в клетке локализован пентозофосфатный путь окисления глюкозы?
Путь прямого окисления глюкозы протекает в цитозоле и взаимосвязан с гликолизом. ПФП называют также пентозным шунтом или циклом, гексозомонофосфатным путем или фосфоглюконатным окислительным путем.
138. Какова главная роль пентозофосфатного пути?
Главная роль пентозофосфатного пути состоит в образовании НАДФН(Н+) для восстановительных биосинтезов (жирных кислот, холестерина, стероидных гормонов) и пентозофосфаты (рибозо-5-фосфат) для синтеза ДНК, РНК и коферментов (НАД+, ФАД). Потребность организма в НАДФН(Н+) покрывается на 50-60% за счет пентозофосфатного цикла.
139. В клетках какой ткани преобладает потребление НАДФН(Н+)?
Жировая ткань потребляет НАДФН(Н+) больше, чем какая-либо другая для восстановительного синтеза жирных кислот из ацетил-КоА.
140. В каких тканях и органах у млекопитающих высокая активность пентозофосфатного пути окисления глюкозы?
У млекопитающих высокая активность пентозофосфатного пути наблюдается в печени, надпочечниках, эмбриональной ткани и молочной железе в период лактации.
141. Может ли пентозофосфатный путь окисления глюкозы быть источником энергии?
При стрессовых ситуациях в организме ПФП может использоваться как источник энергии АТФ.
142. Какие учёные принимали участие в открытии пентозофосфатного пути?
Первый фермент пентозофосфатного пути окисления глюкозы глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа был открыт О. Варбургом в 1931 г. Исследование этого пути продолжили Ф. Лиман, Ф. Дикенс и В.А. Энгельгард.
143. Какие трансферазы катализируют реакции пентозофосфатного пути?
В пентозофосфатном пути происходит перенос двухуглеродного фрагмента транскетолазой и трехуглеродного фрагмента трансальдолазой с одного углевода на другой.
144. Какова последовательность превращений в пентозофосфатном пути?
Рассмотрим последовательность этих превращений.
В ходе первой реакции происходит дегидрирование глюкозо-6-фосфата ферментом глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой и её коферментом НАДФ+.
145. Какой процесс происходит во второй реакции?
На следующем этапе происходит гидролиз 6-фосфоглюконо-δ-лактона, гидролиз которого осуществляется лактоназой с образованием 6-фосфоглюконата.
146. Какие процессы происходят в третьей реакции пентозофосфатного пути?
Образовавшийся 6-фосфоглюконат подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием рибулозо-5-фосфата 6-фосфоглюконат- дегидрогеназой. Этой реакцией заканчивается окислительный этап пентозофосфатного пути, в которой образуется вторая молекула НАДФН(Н+).
147. Какие процессы в дальнейшем происходят с рибулозо-5-фосфатом?
Рибулозо-5-фосфат под действием эпимеразы может превращаться в ксилулозо-5-фосфат, и под действием изомеразы превращается в рибозо-5-фосфат. Эти реакции – взаимопревращаемые.
148. Какие процессы проходят в клетке в случае, если для восстановительных биосинтезов веществ необходим в большом количестве НАДФН + Н+?
В таких случаях рибозо-5-фосфат превращается в глицеральдегид-3-фосфат и фруктозо-6-фосфат под действием транскетолазы и трансальдолазы. Реакции проходят в анаэробных условиях, представляя неокислительный этап пентозофосфатного пути (5 и 6 реакции).
149. Как протекает шестая реакция пентозофосфатного пути?
В шестой стадии пентозного цикла осуществляется перенос остатка диоксиацетона (но не свободного диоксиацетона) от седогептулозо-7-фосфата на глицеральдегид-3-фосфат. Реакция катализируется ферментом трансальдолазой. В результате образуется фруктозо-6-фосфат и эритрозо-4-фосфат.
150. Какая реакция может происходить, если в процесс вовлекается вторая молекула ксилулозо-5-фосфата?
При взаимодействии второй молекулы ксилулозо-5-фосфат с эритрозо-4-фосфатом образуется еще одна молекула фруктозо-6-фосфата. Это вторая реакция, катализируемая транскетолазой.
151. Как выглядит последовательность реакций в пентозофосфатном пути окисления углеводов?
Последовательность реакций в ПФП представлена на схеме:
152. Какой кофермент содержит транскетолаза?
Транскетолаза в пентозном цикле катализирует две реакции и содержит в качестве кофермента прочно связанный ТПФ, который также необходим для окислительного декарбоксилирования пирувата.
153. Какое заболевание может вызвать недостаток тиамина в рационе людей?
Недостаток витамина В1 (тиамина) в рационе людей может вызвать синдром Вернике-Корсакова (синоним – болезнь бери-бери), для которого характерно нервно-психическое расстройство.
154. Как можно представить суммарное уравнение реакций пентозофосфатного пути?
Суммарное уравнение реакций, включающих окислительный и неокислительный этапы пентозофосфатного пути с учётом использования шести молекул глюкозо-6-фосфата можно представить таким образом:
Или
155. Недостаточность какого фермента приводит к развитию гемолитической анемии при приёме некоторых лекарств?
Недостаточность глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, катализирующей первую реакцию пентозофосфатного цикла в эритроцитах, при приёме некоторых лекарств способствует развитию гемолитической анемии.
156. Почему приём лекарств при недостаточности глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназы вызывает гемолитическую анемию?
Снижение активности глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы уменьшает образование количества НАДФН(Н+), основная роль которого в эритроцитах заключается в восстановлении окисленной формы глутатиона в восстановленную. Восстановленный глутатион-антиоксидант необходим для обезвреживания токсинов и поддержания железа (Fe2+) гемоглобина в восстановленной форме. При пониженном содержании восстановленного глутатиона в эритроцитах увеличивается вероятность гемолиза.
157. Как связано снижение активности фермента глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназы с развитием малярии?
Снижение активности фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы чаще всего является генетическим дефектом гена. Для возбудителя малярии Plasmodium falciparum необходим нормально функционирующий пентозофосфатный путь и восстановленный глутатион. Дефицит фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы у человека приводит к снижению восстановленного глутатиона, что является механизмом защиты от малярии.
158. Связан ли пентозофосфатный путь с гликолизом?
Пентозофосфатный путь и гликолиз локализованы в цитозоле, эти два пути взаимосвязаны и продукты одного могут включаться в метаболизм другого в зависимости от содержания этих соединений в клетке. Когда в клетке потребность в НАДФН(Н+) оказывается выше потребности в рибозо-5-фосфате, активируется превращение рибозо-5-фосфата в глицеральдегид-3-фосфат и фруктозо-6-фосфат под действием транскетолазы и трансальдолазы. Эти ферменты создают связь между пентозофосфатным путем и гликолизом. Таким путем можно генерировать 12 молекул НАДФН(Н+) в расчете на 1 молекулу глюкозо-6-фосфата, которая полностью окисляется до СО2.
Когда в клетке повышается потребность в рибозо-5-фосфате, активен только неокислительный этап пути. Фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат, образованные в гликолизе, превращаются в рибозо-5-фосфат без образования НАДФН(Н+). Взаимодействие этих путей обеспечивает постоянный уровень НАДФН(Н+), АТФ и продуктов, необходимых для биосинтетических потребностей клетки.
РЕГУЛЯЦИЯ УГЛЕВОДНОГО ОБМЕНА
159. Как осуществляется регуляция углеводного обмена у человека?
У человека и животных регуляция углеводного обмена осуществляется при непосредственном участии центральной нервной системы и гормонов. Регуляция ЦНС на обмен углеводов осуществляется опосредованно гормонами нескольких эндокринных желез. На углеводный обмен влияют гормоны поджелудочной железы (инсулин, глюкагон), коры надпочечников (глюкокортикоиды) и мозгового вещества надпочечников (адреналин). Действие их опосредовано через ферментные системы гликолиза и гликогенолиза, гликогенеза (биосинтез гликогена) и глюконеогенеза (биосинтез глюкозы из лактата, пирувата, глицерола и некоторых аминокислот).
160. Каковы причины заболевания сахарным диабетом?
Повышение содержания глюкозы в крови при сахарном диабете наблюдается при снижении количества секретируемого инсулина. Эта патология называется инсулинзависимым сахарным диабетом 1-го типа. При сахарном диабете содержание глюкозы в крови повышается (гипергликемия), появляется глюкоза в моче (глюкозурия), уменьшается содержание гликогена в печени. При инсулиновой недостаточности повышается распад гликогена печени.
161. Как влияют адреналин и глюкагон на повышение глюкозы в крови?
Адреналин и глюкагон не проникают в клетки-мишени, связываясь со своими рецепторами на плазматической мембране, они активируют аденилатциклазу. Аденилатциклаза образует из АТФ цАМФ, аллостерический активатор каскада реакций, которые приводят к активации гликогенфосфорилазы и ингибированию гликогенсинтазы. Распад гликогена под действием фосфорилазы и образование глюкозы можно представить следующей схемой:
162. Какие изменения происходят при инсулиновой недостаточности?
При инсулиновой недостаточности нарушается соотношение активности между ферментами, которые участвуют в распаде гликогена: фосфорилазой а, гексокиназой и фосфофруктокиназой, преобладают реакции распада гликогена.
163. Как влияет инсулин на углеводный обмен?
Инсулин контролирует все эти процессы, выступая как индуктор синтеза основных ферментов гликолиза: гексокиназы, фосфофруктокиназы и пируваткиназы. В то же время инсулин снижает активность ферментов, участвующих в синтезе глюкозы, то есть, подавляет глюконеогенез.
164. Какое влияние оказывают глюкокортикоиды на углеводный обмен?
Глюкокортикоиды активируют фермент глюкозо-6-фосфатазу, тем самым повышая синтез глюкозы в печени, что способствует её поступлению в кровь.
165. Какие ещё факторы могут оказывать влияние на углеводный обмен?
На активность углеводного обмена оказывают влияние такие факторы, как: содержание исходных и конечных продуктов отдельных реакций, уровень активности ферментов, присутствие кислорода, проницаемость биологических мембран.
166. Какими ферментами осуществляется регуляция первого этапа гликолиза превращения глюкозы в пируват?
Фосфофруктокиназа, катализирующая реакцию превращения фруктозо-6-фосфата во фруктозо-1,6-бисфосфат, является наиболее важным регуляторным ферментом гликолиза. Фермент ингибируется высокими концентрациями АТФ и наиболее активен, когда клетка нуждается в энергии АТФ и синтезе веществ. Кроме того, нарушение гликолиза в эритроцитах человека может оказать влияние на транспорт кислорода у больных при недостаточности гексокиназы (реакция превращения глюкозы в глюкозо-6-фосфат). Гексокиназа ингибируется глюкозо-6-фосфатом, который накапливается, когда фосфофруктокиназа неактивна. Пируваткиназа является другим регуляторным ферментом, аллостерически ингибируемым АТФ.
167. Как происходит регуляция окисления пирувата до ацетил-КоА?
Окисление пирувата до ацетил-КоА происходит в матриксе митохондрий мультиферментным пируватдегидрогеназным комплексом. Регуляция превращения пирувата в ацетил-КоА представлена на схеме:
168. Обратим ли процесс окисления пирувата до ацетил-коА?
Окислительное декарбоксилирование пирувата является связующим звеном между гликолизом и циклом трикарбоновых кислот, который является необратимым. Образующийся ацетил-КоА используется как унифицированный метаболит для многих процессов биосинтеза.
169. Как осуществляется контроль активности пируватдегидрогеназного комплекса?
Активность пируватдегидрогеназного комплекса контролируется несколькими путями:
ингибированием продуктом реакции ацетил-КоА;
содержанием НАДН(Н+);
нуклеотидами по типу обратной связи;
ингибируется АТФ;
активируется АМФ;
ковалентной модификацией (АТФ-зависимая киназа уменьшает активность пируватдегидрогеназы, а дефосфорилирование под действием фосфатазы, наоборот, повышает активность пируватдегидрогеназы).
170. Недостаток какого витамина в организме вызывает заболевание бéри-бéри?
В пируватдегидрогеназный комплекс входит фермент пируватдегидрогеназа, простетическая группа которой содержит кофермент тиаминпирофосфат (ТПФ).
Недостаток в пище витамина В1 (тиамина) может привести к развитию заболевания бéри-бéри, для которого характерны симптомы неврологических заболеваний и сердечной недостаточности. Повреждение периферической нервной системы проявляется в виде болей в конечностях, мышечной слабости, снижением кожной чувствительности. При бéри-бéри содержание пирувата после приема глюкозы повышается.
171. В структуру какого фермента входит кофермент ТПФ?
ТПФ является простетической группой трех ферментов: пируватдегидрогеназы (окислительное декарбоксилирование пирувата), α-кетоглутаратдегидрогеназы (ЦТК) и транскетолазы (пентозофосфатный путь окисления глюкозы). В соответствии с этим активность вышеуказанных ферментов снижена у больных бéри-бéри по сравнению с нормой. При заболевании бéри-бéри снижение транскетолазной активности может быть использовано для диагностики этого заболевания.
172. Какой этап завершает аэробный распад глюкозы?
Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса) является конечным этапом аэробного распада глюкозы. Реакции цикла Кребса локализованы в матриксе митохондрий и проходят только в аэробных условиях, для которых необходимы НАД+ и ФАД. Перенос электронов и протонов от восстановленных НАДН(Н+) и ФАДН2, на О2 по цепи транспорта электронов сопровождается образованием АТФ. Активность реакций цикла трикарбоновых кислот зависит от потребности клетки в АТФ.
173. Какие реакции ЦТК Кребса являются регуляторными?
Главной регуляторной реакцией ЦТК является синтез цитрата из оксалоацетата и ацетил-КоА. АТФ является аллостерическим ингибитором цитратсинтазы, поэтому, с увеличением содержания АТФ снижается образование цитрата. Ингибирует цитратсинтазную реакцию и накопление НАДН(Н+). Вторая регуляторная реакция катализируется изоцитратдегидрогеназой, которая превращает изоцитрат в α–кетоглутарат. Фермент аллостерически активируется АДФ и ингибируется НАДН(Н+) и АТФ. Третьей реакцией регуляции ЦТК является реакция α–кетоглутаратдегидрогеназы, превращающей α–кетоглутарат в сукцинил-КоА. Альфа-кетоглутаратдегидрогеназный мультиферментный комплекс, подобно пируватдегидрогеназному комплексу ингибируется продуктом реакции сукцинил-КоА и НАДН(Н+).
174. От каких факторов зависит скорость ферментативных реакций углеводного обмена?
Скорость ферментативных реакций углеводного обмена зависит от избытка или дефицита какого-либо одного фактора. Причем это может проявляться в изменении скорости ферментативных реакций на разных этапах метаболизма углеводов.
Например, недостаточность витамина В1 может привести не только к нарушению окислительного декарбоксилирования и накоплению пирувата, но и повлиять на окисление глюкозо-6-фосфата в пентозофосфатном пути, потому что ТПФ является коферментом транскетолазы. Гиповитаминоз В1 также влияет на ЦТК, поскольку ТПФ необходим для работы α–кетоглутаратдегидрогеназного комплекса. Сукцинатдегидрогеназа ингибируется малонатом, а малатдегидрогеназная реакция зависит от соотношения НАД+/ НАДН(Н+). Соотношение путей катаболизма углеводов и его регуляция в тканях зависит от физиологического состояния человека, поступления кислорода в ткани и интенсивности физической нагрузки.
175. Какой путь распада углеводов более эффективен, аэробный или анаэробный?
Аэробный путь катаболизма более эффективен энергетически. Однако роль и значение различных путей окисления углеводов в различных тканях неодинакова. Продукты метаболизма углеводов одного пути могут включаться в другие пути окисления углеводов. Например, взаимосвязанность гликолитического и пентозофосфатного путей обеспечивает клетку НАДФН(Н+), АТФ, пентозами.
176. Как регулируются глюконеогенез и гликолиз?
Глюконеогенез и гликолиз регулируются таким образом, что, когда активность одного находится на низком уровне, другой высокоактивен. Активность этих двух процессов никогда не достигает высокого уровня одновременно. Эти два процесса регулируются реципрокно. У человека регуляция углеводного обмена осуществляется под контролем центральной нервной системы и гормонов.
177. Какова роль печени в углеводном обмене?
Углеводы, поступающие с пищей, гидролизуются в основном с образованием глюкозы, галактозы или фруктозы, которые через воротную вену поступают в печень, где галактоза и фруктоза быстро превращаются в глюкозу. Основная роль печени в углеводном обмене заключается в поддержании постоянной концентрации глюкозы в крови. Это достигается регуляцией синтеза и распада гликогена, которые контролируются нейрогуморальным путем.
178. Какое соединение занимает центральное место в углеводном обмене в печени?
Центральное место в углеводном обмене в печени занимает глюкозо-6-фосфат. Участие этого соединения в метаболизме углеводов представлено на следующей схеме:
Глюкозо-6-фосфат, окисляясь в цитозоле до пирувата, поступает в матрикс митохондрий, где окисляется и декарбоксилируется в ацетил-КоА. Затем он, попадая в ЦТК, окисляется либо может быть исходным субстратом для многих биосинтетических процессов. В печени в реакциях пентозофосфатного пути при окислении глюкозо-6-фосфата образуется НАДФН(Н+), который может быть использован для восстановительных реакций синтеза жирных кислот, холестерина, стероидных гормонов и желчных кислот. Кроме того, в ПФП при окислении глюкозы образуются пентозо-5-фосфаты, которые используются в биосинтезе нуклеиновых кислот (ДНК, РНК) и коферментов (НАД+, ФАД). Глюкозо-6-фосфат подавляет фосфоролитический распад гликогена, резерва углеводов в печени, и активирует синтез гликогена из УДФ-глюкозы. Также, глюкозо-6-фосфат под действием фосфатазы превращается в свободную глюкозу, которая с током крови поступает во все органы и ткани.
179. Какое ещё соединение оказывает влияние на обмен углеводов в печени?
Также, важным соединением, влияющим на обмен углеводов в печени, является фруктозо-2,6-бисфосфат.
Фруктозо-2,6-бисфосфат активирует фосфофруктокиназу-1 и в то же время ингибирует в печени фруктозо-1,6-бисфосфатазу. Повышение содержания в гепатоцитах фруктозо-2,6-бисфосфата активирует гликолиз и подавляет глюконеогенез. Уровень фруктозо-2,6-бисфосфата регулируется содержанием фруктозо-6-фосфата и гормонами – глюкагоном и адреналином.
180. Оказывает ли влияние окисление глюкозы в печени на другие биосинтетические процессы?
В процессе окисления глюкозы в печени происходит образование предшественников, необходимых для биосинтеза жирных кислот, глицерина и других соединений либо синтеза гликогена.
181. В каком процессе в печени возможен синтез глюкозы?
В печени происходят два процесса: окисление глюкозы и её синтез, глюконеогенез. Непосредственными субстратами глюконеогенеза являются пируват, лактат, глицерин и гликогенные аминокислоты. Глюконеогенез печени обеспечивает содержание глюкозы, поступающей в кровь, для нормального функционирования головного мозга, мышц и других органов и тканей.
Литература
Смирнова И.П., Коротеев М.П. Обмен углеводов: учебное пособие для ВУЗов. – Москва: Издательство Российский университет дружбы народов (РУДН), 2008 г. – 52 с.
Чернов Н.Н., Покровский В.С. Основы биохимии: учебное пособие (второе издание). – Москва: Издательство Е-ното, 2024 г. – 392 с.
Покровский В.С. Биохимия человека. Обмен углеводов: учебное пособие. – Москва: Издательство Е-ното, 2022 г. – 360 с.
