Метаболизм углеводов. Пути распада углеводов. Энергетический эффект распада углеводов.

.Метаболизм углеводов. Пути распада углеводов. Энергетический эффект распада углеводов. 1. Распад углеводов 2. Анаэробный распад углеводов  3. Аэробный распад углеводов. ЦТК. Метаболизм  (обмен)  углеводов  в  организме  человека   состоит   в   основном   из следующих процессов: 1. Расщепление в пищеварительном тракте поступающих с пищей полисахаридов и дисахаридов до моносахаридов. Всасывание моносахаридов из кишечника в кровь. 2. Синтез и распад гликогена в тканях, прежде всего в печени. 3.  Гликолиз. Понятие  «гликолиз» означает  расщепление  глюкозы. Первоначально этим   термином   обозначали   только   анаэробное  брожение,   завершающееся   образованием молочной кислоты  (лактата) или  этанола  и СО2. В настоящее время понятие «гликолиз» используется более широко для описания распада глюкозы, проходящего через образование глю­козо­6­фосфата,   фруктозобисфосфата   и   пирувата   как   в   отсутствие,   так   и   в присутствии  кислорода. В последнем случае употребляют термин «аэробный гликолиз» в отличие   от  «анаэробного  гликолиза»,   завершающегося   образованием  молочной   кислоты (лактата). 4.   Аэробный   путь   прямого  окисления  глюкозы  или,   как   его   называют, пентозофосфатный путь (пентозный цикл). 5. Взаимопревращение гексоз. 6. Аэробный  метаболизм  пирувата. Этот процесс выходит  за рамки углеводного обмена, однако может рассматриваться как завершающая его стадия: окисление продукта гликолиза – пирувата. 7. Наконец, важным является процесс  глюконеогенеза, или образование  углеводов из   неуглеводных   продуктов.   Такими   продуктами   являются   в   первую   очередь пировиноградная и молочная кислоты, глицерин, аминокислоты и ряд других соединений. Углеводы   человек   получает   с   пищей   в   основном   в   виде   полисахаридов (растительного   крахмала,   клетчатки   (целлюлозы),   меньше   ­   гликогена),   в   меньших количествах   в   виде   дисахаридов,   и   совсем   немного   ­   моносахаридов.   Переваривание углеводов в желудочно­кишечном тракте (ЖКТ) человека не относится к метаболизму, поскольку желудочно­кишечный тракт рассматривается как часть внешней среды. Переваривание   начинается   в   ротовой   полости.   Слюнными   железами выделяется   фермент   "­амилаза   слюны".   Этот   фермент   способен   расщеплять  ­1,4­ гликозидные связи в молекулах растительного крахмала    крахмала   Строение и   гликогена 1 Связи в точках ветвления ­ 1,6­­гликозидные. В   желудке   эффективного   переваривания   углеводов   не   происходит,   т.к.   в кислой среде полости желудка фермент теряет свою активность. углеводов возобновляется при поступлении пищевых масс из желудка в тонкий кишечник. Панкреатическая  ­амилаза   завершает   расщепление   полисахаридов   и Переваривание олигосахаридов до дисахарида ­ мальтозы. Дисахарид   мальтоза   и   остальные   дисахариды,   поступившие   с   пищей расщепляются ферментами пристеночного переваривания углеводов до моносахаридов.  2 В сутки взрослый человек при сбалансированном питании получает около 500 граммов углеводов.  После всасывания глюкоза по системе воротной вены поступает в печень.  В   печени   основное   количество   глюкозы   откладывается   и   запасается   в   виде гликогена, а остальная глюкоза идёт в общий кровоток для питания других клеток. Под действием инсулина глюкоза проникает в клетки тканей. ОБЩАЯ СХЕМА РАСПАДА УГЛЕВОДОВ ПОЛИСАХАРИДЫ ГИДРОЛИЗ МОНОСАХАРИДЫ ГЕКСОЗОФОСФАТЫ ПЕНТОЗОФОСФАТЫ ГЛЮКОЗО­6­ФОСФАТ РИБУЛЕЗО­5­ФОСФАТ ПВК БРОЖЕНИЕ ГЛИКОЛИЗ ТКАНЕВОЕ ДЫХАНИЕ (ГБФ)                                      Молочная кислота     СО2 и Н2О         3 Распад глюкозы 1. Фосфорилирование глюкозы, фермент ­ гексокиназа (ГК) работает, чтобы ослабить прочную молекулу  глюкозы: Реакция необратима, требует затраты АТФ 2.  Реакция ­ изомеризации: фермент ­ изомераза Реакция обратима. 3. Образование фруктозо­1,6­бисфосфата, фермент ­  фосфофруктокиназа (ФФК)  Реакция необратима, требует затраты АТФ 4. Образование фосфотриоз,  фермент­ альдолаза 4 Реакция обратима 5. Реакция изомеризации Реакция обратима В реакцию ГБФ­пути вступает только ФГА.  2­я часть   1­го этапа начинается с окисления ФГА до ФГК (фосфоглицериновой кислоты), фермент – глицеральальдегидфосфатдегидрогеназа Фосфат присоединяется макроэргической связью.  7.   Реакция   фосфоглицераткиназа.   субстратного     фосфорилирования,   фермент 5 Образуется молекула АТФ 8. Реакция переноса фосфата из 3­го во второе положение, образуется 2­ фосфоглицериновая кислота, фермент фосфоглицератмутаза Реакция обратима 9. Реакция внутримолекулярного взаимодействия, фермент енолаза Реакция обратима, образуется макроэргическое соединение ФЕП 10. Реакция субстратного фосфорилирования. Образование ПВК фермент ­ пируваткиназа 6 Реакция необратима, образование молекулы АТФ Распад углеводов в анаэробных условиях. Процесс   распада   глюкозы   до   лактата   в   анаэробных   условиях  называется ГЛИКОЛИЗОМ, а гликогена ­ ГЛИКОГЕНОЛИЗОМ.  Акцептором   водорода   от   НАДН2  в   этих   условиях   является   ПВК     ­   конечный продукт 1­го этапа.  Возникает   сопряжение   между   двумя   реакциями,   которое   называется ГЛИКОЛИТИЧЕСКАЯ ОКСИДОРЕДУКЦИЯ.  ГЛИКОЛИТИЧЕСКАЯ   ОКСИДОРЕДУКЦИЯ   ­   это   сопряжение   между     6­й стадией  (окисление  ФГА)  и  11­й стадией (восстановление ПВК до лактата) гликолиза. Реакции гликолитической оксидоредукции полностью обратимы.   В анаэробных условиях конечным продуктом распада глюкозы является ЛАКТАТ. ПУТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛАКТАТА, ОБРАЗОВАВШЕГОСЯ ПРИ ГЛИКОЛИЗЕ  Лактат   при   поступлении   кислорода   в   клетку   начинает   постепенно превращаться обратно в ПВК.  Часть   этого   пирувата   окисляется   во   втором   и   третьем   этапах   ГБФ­пути.   АТФ, образующаяся   при   этом,   используется   для   синтеза   из   оставшегося   количества   ПВК глюкозы или гликогена (в условиях покоя).  7 Процесс   синтеза   глюкозы   или   гликогена   из   лактата   называется   ОБРАЩЕНИЕМ ГЛИКОЛИЗА Спиртовое брожение Спиртовое  брожение  осуществляется   так   называемыми   дрожжеподобными организмами, а также некоторыми плесневыми грибками. Суммарная реакция спиртового брожения: При   спиртовом  брожении  конечный   этап   гликолиза   заменен   двумя   другими ферментативными реакциями –  пируватдекарбоксилазной и  алкогольдегидрогеназной. В   дрожжевых  клетках  (спиртовое   брожение)   пируват   вначале   подвергается декарбоксилированию, в результате чего образуется ацетальдегид.  Реакция   катализируется  ферментом  пируватдекарбоксилазой,   который   требует наличия ионов Mg и кофермента (ТПФ): Образовавшийся  ацетальдегид  присоединяет   к   себе  водород,   отщепляемый   от НАДН,   восстанавливаясь   при   этом   в  этанол.   Реакция   катализируется  ферментом алкогольдегидрогеназой: Существуют   и   другие   виды  брожения,   конечными   продуктами   которых   могут являться пропионовая, масляная и янтарная кислоты, а также другие соединения. Аэробный распад. Гексозобифосфатный путь распада углеводов  БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ГБФ­ПУТИ. 8 1. Это  главный путь распада углеводов до конечных продуктов.  Во многих клетках это ­ единственный путь.  Так распадается 70­75% глюкозы, которая поступает в клетку. 2. Это основной источник получения энергии в клетке в виде АТФ. 3. Это самый длинный путь распада углеводов. ГБФ­путь протекает в 3 этапа: 1­й этап протекает в цитоплазме 2­й   и   3­й   этапы   ­   (исключительно   аэробные!)   в   митохондриях   с   обязательным участием кислорода.  2­й этап ГБФ­пути называется "окислительным декарбоксилированием пирувата" и катализируется пируватдегидрогеназным комплексом  1­й этап отделен от 2­го и 3­го этапов  митохондриальной  мембраной. 1 Этап 1­й ЭТАП проходит 10 промежуточных стадий.   10 реакций, из которых первая, третья и десятая реакции необратимы. Расходуется 2 АТФ на 1 молекулу глюкозы.  Путем субстратного фосфорилирования получается 4 АТФ. Суммарно все 10 стадий можно описать следующем уравнением: С6Н12О6 + 2Н3РО4 + 2АДФ + 2НАД ­­­­­> 2С3Н4О3 + 2АТФ + 2Н2О + 2НАДН2 (ПВК)  НАДН2  по системе митохондриального окисления(МтО) передает водород на кислород воздуха с образованием Н2О и 3 АТФ т.е. образуется  6 молекул АТФ с участием кислорода.   Следовательно: в итоге 1 этапа ГБФ­пути (аэробного пути) образуется 8 молекул АТФ в расчете на каждую расщепленную до ПВК молекулу глюкозы. Цикл трикарбоновых кислот ЦТК (ЦИКЛ КРЕБСА) Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты Окисление  пирувата   до   ацетил­КоА   происходит   при   участии   ряда  ферментов  и называется   мультиферментной системой, которая   коферментов  «пируватдегидрогеназный комплекс». ­       I   стадия   процесса   ­   пируват   теряет   карбоксильную   группу   в   результате взаимодействия   с   тиаминпирофосфатом   (ТПФ)   в   составе   активного   центра  фермента пируватдегидрогеназы (E1).  II   стадия   ­   оксиэтильная   группа   комплекса   E1–ТПФ–СНОН–СН3  окисляется   с образованием  ацетильной  группы, которая одновременно переносится на амид  липоевой кислоты (кофермент), связанной с ферментом дигидролипоилацетилтрансферазой (Е2).  III стадия – перенос ацетильной группы на коэнзим КоА (HS­KoA) с образованием конечного продукта ацетил­КоА. Ацетил­КоА является макроэргическим соединением. На IV стадии регенерируется окисленная форма липоамида из восстановленного комплекса дигидролипоамид–Е2. Атомы  водорода  при   участии  фермента  дигидролипоилдегидрогеназы   (Е3) переносятся от восстановленных сульфгидрильных групп дигидролипоамида на ФАД.  На   V   стадии   восстановленный   ФАДН2  дигидро­липоилдегидрогеназы   передает водород на кофермент НАД с образованием НАДН + Н+. 9 Процесс   окислительного  декарбоксилирования  пирувата   происходит   в   матриксе митохондрий.  В нем принимают участие (в составе сложного мультиферментного комплекса) 3 фермента  ди­гидролипоилацетилтрансфераза, дигидролипоилдегидрогеназа) и 5 кофер­ментов (ТПФ, амид липоевой кислоты, коэнзим А, ФАД   и   НАД),   из   которых   три   относительно   прочно   связаны   с  ферментами  (ТПФ­E1, липоамид­Е2 и ФАД­Е3).  (пируватдегидрогеназа,   Механизм действия пируватдегидрогеназного комплекса. Суммарную реакция: Пируват + НАД+ + HS­KoA –> Ацетил­КоА + НАДН + Н+ + СO2. Реакция   сопровождается   значительным   уменьшением   стандартной   свободной энергии и практически необратима. Полное  окисление  ацетил­КоА   с   образованием   СО2  и   Н2О   происходит   в  цикле трикарбоновых кислот (цикл Кребса). Процесс происходит в митохондриях клеток Цикл   трикарбоновых   кислот   впервые   был   открыт   английским   биохимиком   Г. Кребсом.  Цикл   трикарбоновых   кислот   является   тем   центром,   в   котором   сходятся практически все метаболические пути, т.е. цикл Кребса – общий конечный путь окисления ацетильных групп (в виде ацетил­КоА), в которые превращается в процессе катаболизмаы, жирные кислоты и аминокислоты. 10 Цикл происходит в матриксе  митохондрий и состоит из восьми последовательных реакций 1.  Ацетильная  группа ацетил­КоА конденсируется  с оксалоацетатом,  образуется лимонная кислота: 2.  Лимонная   кислота  подвергается   дегидратированию   с   образованием   цис­ аконитовой   кислоты,   которая,   присоединяя  молекулу  воды,   переходит   в   изолимонную кислоту (изоцитрат). В результате происходит взаимоперемещение Н и ОН в  молекуле цитрата: 11 Изолимонная   кислота   дегидрируется   в   присутствии   НАД­зависимой изоцитратдегидрогеназы декарбоксилирующей. Изоцитратдегидрогеназа   является   аллостерическим  ферментом,   специфический активатор ­ АДФ. Фермент нуждается в ионах Mg2+или Мn2+. Окислительное   декарбоксилирование   высокоэнергетического   соединения   сукцинил­КоА. комплекс напоминает по своей структуре пируватдегидрогеназный комплекс.  α ­кетоглутаровой   кислоты   с   образованием α ­кетоглутаратдегидрогеназный   5.  Сукцинил­КоА  при  участии   ГТФ  и  неорганического  фосфата  превращается  в янтарную кислоту  (сукцинат). Одновременно происходит образование высокоэргической фосфатной связи ГТФ за счет высокоэргической тиоэфирной связи сукцинил­КоА: 12 6.  Сукцинат  дегидрируется   в  фумаровую   кислоту.  Окисление  сукцината катализируется ФАД­зависимой  сукцинатдегидрогеназой,  Сукцинатдегидрогеназа  прочно связана с внутренней митохондриальной мембраной: Фумаровая кислота гидратируется и образуется яблочная кислота (малат).  8. Окисление L­малата в оксалоацетат: 13 За один оборот цикла, состоящего из восьми ферментативных реакций, происходит полное окисление («сгорание») одной молекулы ацетил­КоА.  Образование АТФ Из   4  пар  атомов  водорода  3  пары  переносят   НАДН   на   систему   транспорта электронов;   при   этом   в   расчете   на   каждую  пару  в   системе   биологического  окисления образуется   3 (в   процессе   сопряженного   окислительного фосфорилирования),   а   всего,   следовательно,   9  молекул  АТФ.   Одна  пара  атомов  от сукцинатдегидрогеназы­ФАДН2  попадает в систему транспорта  электронов  образуется 2 молекулы АТФ.   молекулы  АТФ  В   ходе  цикла   Кребса  синтезируется   также   одна  молекула  ГТФ   (субстратное фосфорилирование. При  окислении  одной  молекулы  ацетил­КоА   в  цикле   Кребса  и   системе окислительного фосфорилирования может образоваться 12 молекул АТФ. Глицеролфосфатный челночный механизм.  Дигидроксиацетонфосфат + НАДН + Н+ <=> Глицерол­3­фосфат + НАД+. Образовавшийся глицерол­3­фосфат легко проникает через митохонд­риальную мембрану.   Внутри  митохондрии  другая   (митохондриальная)   глицерол­3­фосфат­ 14 дегидрогеназа   (флавиновый   фермент)   снова   окисляет   глицерол­3­фосфат   до диоксиацетонфосфата: Глицерол­3­фосфат + ФАД <=> Диоксиацетонфосфат + ФАДН2. Восстановленный   флавопротеин   (фермент­ФАДН2)   вводит   на   уровне   KoQ приобретенные им электроны в цепь биологического окисления и сопряженного с ним окислительного фосфорилирования, а диоксиаце­тонфосфат выходит из митохондрий в цитоплазму и может вновь взаимодействовать с цитоплазматическим НАДН + Н+. Таким образом,  пара  электронов  (из одной  молекулы  цитоплазматического НАДН + Н+),   вводимая   в   дыхательную   цепь   с   помощью   глицеролфосфатного   челночного механизма, дает не 3, а 2 АТФ. Малат­аспартатная   челночная   система   для   переноса   восстанавливающих эквивалентов от цитозольного НАДН в митохондриальный матрикс.  В дальнейшем было показано, что с помощью данного челночного механизма лишь   в   скелетных   мышцах   и   мозге   осуществляется   перенос   восстановленных эквивалентов от цитозольного НАДН + Н+ в митохондрии. В  клетках  печени,   почек   и   сердца   действует   более   сложная   малат­ас­ партатная челночная система. Действие такого челночного механизма становится возможным   ас­ партатаминотрансферазы как в цитозоле, так и в митохондриях.  малатдегидрогеназы  присутствию благодаря   и   Установлено, что от цитозольного НАДН + Н+  восстановленные эквиваленты сначала   при   участии  фермента  малатдегидрогеназы  переносятся   на   цитозольный оксалоацетат.   В   результате   образуется   малат,   который   с   помощью   системы, транспортирующей  дикарбоновые   кислоты,   проходит   через   внутреннюю  мембрану митохондрии  в   матрикс.   Здесь   малат   окисляется   в   оксалоацетат,   а   матриксный НАД+  восстанавливается   в   НАДН   +   Н+,   который   может   теперь   передавать   свои электроны  в цепь дыхательных  ферментов, локализованную на внутренней  мембране митохондрии. В свою очередь образовавшийся оксалоацетат в присутствии глутамата ­α и фермента АсАТ вступает в реакцию трансаминирования. Образующиеся аспарат и  кетоглутарат   с   помощью   специальных   транспортных   систем   способны   проходить через мембрану митохондрий. Транспортирование   в   цитозоле   регенерирует   оксалоацетат,   что   вызывает   к действию   следующий   цикл.   В   целом   процесс   включает   легкообратимые   реакции, происходит   без   потребления   энергии,   «движущей   силой»   его   является   постоянное восстановление  НАД+  в   цитозоле   гли­церальдегид­3­фосфатом,   образующимся   при катаболизме глюкозы. 15 При   функционировании малат­аспартатного механизма в результате полного окисления одной молекулы глюкозы может образоваться не 36, а 38 молекул АТФ  Смысл ЦТК заключается в том, чтобы остатки уксусной кислоты расщепились с образованием большого количества АТФ.  Из   ацетатных   остатков   образуется   СО2  и   Н2О,   как   конечные   продукты   обмена веществ. СО2 образуется в ходе ЦТК дважды: 1. на третьей стадии (окисление изоцитрата) 2. на четвертой стадии (окисление альфа­кетоглутарата). Если прибавить еще 1 молекулу СО2, которая образуется до начала ЦТК   ­ при превращении ПВК в ацетил­КоА, то можно говорить о трех молекулах СО2,  образующихся при распаде ПВК. Суммарно эти молекулы, образующиеся при распаде ПВК, составляют до 90% углекислоты, которая  выводится  из  организма. Итоговое уравнение ЦТК. Биологическое значение ЦТК. Главная роль ЦТК – образование большого количества АТФ. 1. ЦТК ­ главный источник АТФ. Энергию для образования большого количества АТФ дает полный распад ацетил­КоА до СО2 и Н2О. 2. ЦТК ­ это универсальный терминальный этап катаболизма веществ всех классов. 3.   ЦТК   играет   важную   роль   в   процессах   анаболизма   (промежуточные   продукты ЦТК): →  синтез жирных кислот → ­ из цитрата  ­ из aльфа­кетоглутарата и ЩУК  ­ из ЩУК  ­ из сукцинил­КоА  → →  синтез углеводов  синтез гема гемоглобина  синтез аминокислот Автономная саморегуляция ЦТК. В ЦТК два ключевых фермента: 1) цитратсинтаза (1­я реакция) 2) изоцитратдегидрогеназа (3­я реакция) Оба   фермента   аллостерически   ингибируются   избытком   АТФ   и   НАДН2. Изоцитратдегидрогеназа   сильно   активируется   АДФ.   Если   АДФ   нет,   то   этот   фермент неактивен.   В   условиях   энергетического   покоя   концентрация   АТФ   увеличивается,   и скорость реакций ЦТК мала ­ синтез АТФ уменьшается. Изоцитратдегидрогеназа  ингибируется  АТФ намного сильнее,  чем цитратсинтаза, поэтому   в   условиях   энергетического   покоя   повышается   концентрация   цитрата,   и   он выходит   в   цитоплазму   по   градиенту   концентраций   путем   облегченной   диффузии.   В цитоплазме   цитрат   превращается   в   Ацетил­КоА,   который   участвует   в   синтезе   жирных кислот. 16