О—о о—о

Перекись водорода Участок молекулы жирной кислоты, подвергшейся СРО

Далее в этом месте происходит расщепление жирной кислоты.

В связи с возникновением перекисной группировки свободноради- кальное окисление жирных кислот, входящих в состав липоидов, часто обозначают термином перекисное окисление липидов (ПОЛ).

Образование свободных радикалов кислорода в тканях организма происходит постоянно. За счет этого процесса прежде всего осуществ­ляется обновление липидного слоя биологических мембран.

Считается, что свободные радикалы кислорода выполняют также защитную функцию, окисляя различные чужеродные вещества, посту­пающие в организм извне, в том числе мембранные белки и липоиды патогенных микроорганизмов.

В физиологических условиях свободнорадикальное окисление про­текает с низкой скоростью, так как ему противостоит защитная анти- оксидантная система организма, предупреждающая накопление сво­бодных радикалов кислорода и ограничивающая тем самым скорость СРО. Главным компонентом антиоксидантной системы является вита­мин Е (токоферол).

Активные формы кислорода могут возникать в процессе тканевого дыхания. Для нормального течения тканевого дыхания необходимо од­новременное присоединение к молекуле кислорода четырех электро­нов. В этом случае образуются две молекулы воды. Однако же иногда (например, при избытке кислорода) к молекуле кислорода присоеди­няются два или даже один электрон. В этих случаях вместо воды воз­никают соответственно перекись водорода (Н₂0₂) и супероксид-анион кислорода (0₂~), которые очень токсичны для клеток, так как являются сильными окислителями и повреждают биомембраны (подробно см. в главе 17 «Молекулярные механизмы утомления»).

Для защиты от этих опасных соединений в состав антиоксидантной системы входят специальные ферменты. Под действием фермента су- пероксиддисмутазы супероксиданион превращается в перекись водо­рода:

2 0₂~ + 2 Н⁺--------- Н₂0₂ + 0₂

Далее перекись водорода разрушается ферментом каталазой: 2 Н₂0₂ — 2 Н₂0 + 0₂

ГЛАВА 5 ОБМЕН УГЛЕВОДОВ

гткРНВАРИВАНИЕ И ВСАСЫВАНИЕ УГЛЕВОДОВ

С пищей в сутки поступает 400-500 г углеводов. Основные пище­вые углеводы - крахмал, клетчатка, сахароза (пищевой сахар), лактоза (молочный сахар), гликоген.

Переваривание пищевых углеводов начинается в ротовой полости. Под действием фермента слюны амилазы крахмал и гликоген подвер­гаются неглубокому расщеплению с образованием низкомолекулярных полисахаридов - декстринов. Дальнейший распад декстринов, а также нерасщепленного крахмала и гликогена протекает в тонкой кишке с участием амилазы поджелудочного сока. В результате образуется диса- харид мальтоза, состоящая из двух остатков глюкозы. Завершается пе­реваривание углеводов превращением образовавшейся мальтозы и дру­гих пищевых дисахаридов (сахароза, лактоза) в моносахариды (глюко­за, фруктоза, галактоза), главным из которых является глюкоза.

Клетчатка (целлюлоза), в молекуле которой остатки глюкозы со­единены прочными связями, в ходе пищеварения не расщепляется и, пройдя через весь кишечник, выделяется из организма.

Образовавшиеся моносахариды всасываются по системе воротной вены и поступают вначале в печень. При этом в печень поступает прак­тически только глюкоза, так как в ходе всасывания в клетках тонкой кишки в нее могут превращаться другие моносахариды (фруктоза, га­лактоза и др.).

В печени значительная часть глюкозы превращается в гликоген, который представляет собою запасную, резервную форму глюкозы или депо глюкозы (свободная глюкоза накапливаться в клетках не может, так как ее молекулы имеют малый размер и легко проходят через кле­точные мембраны). Между приемами пищи в печени протекает проти­воположный процесс - гликоген распадается на глюкозу, которая из печени выходит в кровь.

СИНТЕЗ ГЛИКОГЕНА________________________________________________

Глюкоза, используемая для синтеза гликогена, предварительно ак­тивируется. Вначале глюкоза взаимодействует с АТФ и превращается в ппокозо-6-фосфат, который затем легко переходит в глюкозо-1-фосфат (формулы этих соединений см. ниже в разделе «Метаболизм глюко- л

зы»), Далее глюкозо-1 -фосфат реагирует с УТФ (уридинтрифосфат - макроэргическое соединение, похожее по строению на АТФ и содер­жащее вместо аденина урацил). В ходе этой реакции отщепляются два остатка фосфорной кислоты в виде дифосфата и образуется очень ак­тивная форма глюкозы - уридиндифосфатглюкоза (УДФ-глюкоза),

Схематично активацию глюкозы можно представить следующим образом:

+ АТФ + УТФ

Гл -------- — Гл-6-ф-------- — Гл-1-ф ------ —— Гл-1-УДФ

-АДФ - фф

Синтез гликогена осуществляется путем присоединения образовав­шейся УДФ-глюкозы к наружным цепям молекул имеющегося в клет­ках печени гликогена, который называется затравкой. При этом в мо­лекулу гликогена включаются только остатки глюкозы. В результате многократного присоединения остатков глюкозы наружные цепи удли­няются и разветвляются, что ведет к значительному увеличению разме­ра молекул гликогена.

Синтез гликогена может быть описан следующим уравнением:

(C₆H₁₀O₅)_n + m УДФ-С₆Н₁₀О₅ ---------- (C₆H₁₀O₅)_n+m + m УДФ

Гликоген-«затравка» УДФ-тюкоза Удлиненный гликоген

Освобождающиеся в процессе синтеза гликогена молекулы УДФ вступают в реакцию с АТФ и снова превращаются в УТФ:

УДФ + АТФ ------- УТФ + АДФ

Таким образом, источником энергии для синтеза гликогена является АТФ, а УТФ выполняет роль переносчика энергии.

Благодаря синтезу в печени происходит накопление гликогена и его концентрация может достигать 5-6%. Превращение в печени глюкозы в гликоген предотвращает резкое увеличение ее содержания в крови во время приема пищи.

Синтез гликогена из глюкозы также происходит в мышцах, но его концентрация в них не превышает 2-3%. Образованию гликогена в мышцах способствует пищевая гипергликемия - повышение концен­трации глюкозы крови во время приема пищи, обусловленное тем, что часть глюкозы проходит через печень в большой круг кровообращения. Кроме этого, незначительная часть глюкозы может всасываться из ки­шечника по лимфатической системе и, минуя печень, сразу попадать в большой круг кровообращения.

Синтез гликогена ускоряется гормоном инсулином.

РАСПАД ГЛИКОГЕНА

Между приемами пищи гликоген печени расщепляется и превра­щается в глюкозу, которая выходит в кровь. Этот распад идет с уча­стием фосфорной кислоты и называется фосфоролизом. Под дейст­вием фосфорной кислоты от наружных цепей гликогена поочередно отщепляются остатки глюкозы в форме глюкозо-1-фосфата. Полно­стью гликоген не расщепляется. Оставшиеся небольшие молекулы гликогена служат в дальнейшем «затравкой» при его синтезе из глю­козы.

Фосфоролиз гликогена протекает по следующему уравнению: (C₆H₁₀O₅)_n + m Н₃Р0₄ (CeHioOg)^ +тГл-1-ф

Исходный гликоген Гликоген-«затравка»

Последующее превращение глюкозо-1-фосфата в свободную глюко­зу осуществляется в две стадии. На первой стадии глюкозо-1-фосфат переходит в глюкозо-6-фосфат; на второй стадии происходит гидролиз глюкозо-6-фосфата и образуется свободная глюкоза и фосфорная ки­слота:

+ н₂о

Гл-1-ф ------- — Гл-6-ф ---------- — Глюкоза + Н₃Р0₄

Распад гликогена в печени до глюкозы часто обозначается терми­ном глюкогенез, он ускоряется гормонами глюкагоном и адренали­ном.

Благодаря протеканию в печени двух противоположных процессов: синтеза гликогена из глюкозы и его распада снова на глюкозу, ее кон­центрация в крови изменяется только в небольшом диапазоне, поэтому кровь постоянно снабжает все органы глюкозой.

В мышцах расщепление гликогена обычно наблюдается при выпол­нении физической работы. Однако свободная глюкоза здесь не образу­ется, так как в мышечных клетках нет фермента, вызывающего гидро­лиз глюкозо-6-фосфата. Глюкозо-1-фосфат и глюкозо-6-фосфат из-за наличия фосфатного остатка через стенку мышечных клеток проходить не могут, поэтому все дальнейшие превращения этих соединений про­текают непосредственно в мышцах и направлены на обеспечение их энергией.

Распад гликогена в мышцах стимулирует гормон адреналин, кото­рый выделяется в кровь как раз во время мышечной работы.

МЕТАБОЛИЗМ ГЛЮКОЗЫ

Использование глюкозы в организме осуществляется двумя путями:

• Большая часть глюкозы (90-95%) подвергается распаду по гек- созодифосфатному пути (ГДФ-путь), который является для организма главным источником энергии.

• Незначительная часть глюкозы (5-10%) распадается по гексозо- монофосфатному пути (ГМФ-путь), имеющему анаболическое назна­чение и обеспечивающему различные синтезы рибозой и водородом в форме НАДФ-Н₂.

Гексозодифосфатный путь (ГДФ-путь) ________________________________

ГДФ-путь может протекать аэробно и анаэробно. Аэробный ГДФ- путь функционирует постоянно, а анаэробный распад углеводов на­блюдается только при повышенной потребности клеток в энергии, в основном в скелетных мышцах.

Аэробный распад углеводов

Аэробный распад углеводов по ГДФ-пути - сложный, многоста­дийный процесс, включающий десятки промежуточных реакций, при­водящих в конечном счете к образованию углекислого газа и воды с выделением большого количества энергии. Этот процесс можно разде­лить на три этапа, последовательно идущих друг за другом.

Первый этап ГДФ-пути происходит в цитоплазме клеток. На этом этапе глюкоза превращается в пировиноградную кислоту (пируват). Этот этап часто называют гликолизом.

На первой стадии глюкоза путем взаимодействия с АТФ переходит в активную форму - глюкозо-6-фосфат:

Это единственная реакция, которой подвергается в организме глюкоза. Поэтому все превращения гчюкозы в организме начинаются с образования глюкозо-6-фосфата. Далее глюкозо-б-фосфат вступает б
различные пути метаболизма глюкозы (например, рассмотренный вы­ ше синтез гликогена).

На следующих стадиях глюкозо-6-фосфат изомеризуется во фрукто- зо-6-фосфат, который, взаимодействуя с АТФ, далее превращается во (Ьг)уктозо-1,6-дифосфат. (Этим объясняется название данного пути рас­пада углеводов - гексозодифосфатный путь, поскольку фруктоза со­держит шесть атомов углерода и относится к гексозам.)

Перечисленные реакции можно описать следующими уравнениями:

²) СН₂0Р0₃Н₂ 1——О

СН₂ОН ^ ² + АТФ

но^Дн "" ^С

³) СН₂0Р0₃Н₂

ОН -АДФ НО ' Фруктозо-6-фосфат

он он Глюкозо-6-фосфат

I I.. L1А

З¹ '2

СН₂0Р0₃Н₂

₍ ОН ОН

СН₉0Р0,Н

о

Фруктозо-1,6-дифосфат

Образовавшийся фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется на две фос- фотриозы - фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиацетон,

которые являются изомерами и легко переходят друг в друга:

1₂КУ1 V-f₃l 1₂

,0. СН₂0Р0₃Н₂

₍ ОН

он

⁴) СН,ОРО,Н,

Фруктозо-1,6-дифосфат

С'" неон

I

СН₂0Р0₃Н₂

Фосфоглицериновый альдегид

СН₂ОН

I

с=о

I

СН₂0Р0₃Н₂

Фосфодиоксиацетон

В последующих реакциях данного этапа участвует только фосфог­лицериновый альдегид, и по мере его использования в него превраща­ется фосфодиоксиацетон:

— неон

I

СН₂0Р0₃Н₂

5)

СН₂ОН I с=о I СН₂0Р0₃Н₂ Фосфодиоксиацетон

Фосфоглицериновый альдегид

Поэтому можно считать, что из глюкозы образуется две молекулы Фосфоглицеринового альдегида.

Следующая стадия - окисление фосфоглицеринового альдегида, протекающее непосредственно в цитоплазме. В ходе этой реакции от окисляемого вещества отнимаются два атома водорода и временно присоединяются к коферменту НАД. За счет выделяющейся при окис­лении энергии в продукт реакции включается еще один фосфатный ос­таток, который присоединяется макроэргической связью:

⁶⁾ /Н ^О

I ^О I ^0~Р0₃Н₂

неон + НАД + Н₃Р0₄ —- неон + НАДН₂

СН₂0Р0₃Н₂ СН₂ОРО_эН₂

Фосфоглицериновый альдегид 1,3-дифосфоглицерат

При невысокой скорости распада углеводов (в покое или при работе умеренной мощности) весь образовавшийся НАД-Н₂ передает атомы водорода в дыхательную цепь митохондрий, где эти атомы связывают­ся с молекулярным кислородом и превращаются в воду. За счет выде­ляющейся при этом энергии осуществляется синтез АТФ. Как уже от­мечалось (см. главу 4 «Биологическое окисление»), перенос двух ато­мов водорода на кислород сопровождается синтезом трех молекул АТФ.

Таким образом, в данных условиях первый этап ГДФ-пути протека­ет аэробно. Поскольку из глюкозы образуется две молекулы фосфог­лицеринового альдегида и соответственно две молекулы восстановлен­ного НАД, то в расчете на одну молекулу глюкозы в процессе тканево­го дыхания осуществляется синтез шести молекул АТФ.

На следующей стадии фосфатный остаток, благодаря наличию мак­роэргической связи, легко передается на молекулу АДФ с образовани­ем АТФ:

⁷⁾

С С

|^0~Р0₃Н₂ |^ОН

НСОН + АДФ ---------- — НСОН + АТФ

I I

СН₂0Р0₃Н₂ СН₂0Р0₃Н₂

1,3-дифосфоглицерат 3-фосфоглицерат

Такой способ синтеза АТФ, осуществляющийся без участия тканевого дыхания и, следовательно, без потребления кислорода, обеспеченный за­пасом энергии субстрата, называется анаэробным, или субстратным, фосфорилированием. Это самый быстрый путь получения АТФ.

На последующих стадиях образовавшийся 3-фосфоглицерат изоме- изуется в 2-фосфоглицерат, от которого затем отщепляется молекула воды что приводит к перераспределению энергии в молекуле и воз­никновению макроэргической связи:

я\ 9)

СООН СООН СООН

I I I

НСОН ------------ — НС0Р0₃Н, ----------- — С-0~Р0₃Н₂

| I -Н₂0 II

СН₂0Р0₃Н₂ СН₂ОН сн₂

3-фосфоглицерат 2-фосфоглицерат Фосфоенолпируват

Завершается первый этап ГДФ-пути реакцией анаэробного фосфо- рилирования, в ходе которой синтезируется еще одна молекула АТФ:

10) СООН СООН I I С-0~Р0₃Н₂ +АДФ — С = 0 + АТФ

СН₂ СН₂

Фосфоенолпируват Пируват

(Пировиноградная кислота)

Учитывая, что из одной молекулы глюкозы образуется две молеку­лы фосфоглицеринового альдегида, всего синтезируется десять моле­кулы АТФ (шесть - аэробно и четыре - анаэробно). При этом следует учесть, что на первых стадиях расходуется две молекулы АТФ на акти­вацию глюкозы и фруктозо-6-фосфата. В итоге превращение глюкозы в пируват сопровождается синтезом восьми молекул АТФ.

Суммируя уравнения всех стадий, можно получить итоговое урав­нение первого этапа:

С₆Н₁₂О_е + 0₂ + 8 АДФ + 8 Н₃Р0₄ -------- — 2 С₃Н₄0₃ + 2 Н₂0 + 8 АТФ

Глюкоза Пируват

Первый этап распада углеводов практически обратим. Из пирувата, а также из лактата (см. ниже) может синтезироваться глюкоза, а из нее затем гликоген.

Второй и третий этапы ГДФ-пути протекают в митохондриях с участием дыхательной цепи и поэтому обязательно требуют 0₂. Эти этапы, в отличие от первого, необратимы.

В ходе второго этапа от пировиноградной кислоты отщепляется уг­лекислый газ и два атома водорода. Отщепленные атомы водорода по дыхательной цепи передаются на кислород с выделением воды и од­новременным синтезом АТФ, а образовавшаяся из пирувата уксусная кислота присоединяется макроэрги ческой связью к коферменту А - переносчику остатков кислот.

Кофермент А содержит в своей молекуле остаток витамина В,- пантотеновой кислоты — и имеет свободную SH-группу. В сокращен­ном виде он обозначается - HSKoA.

Образовавшийся комплекс уксусной кислоты и кофермента А назы­вается ацетилкофермент А. Уксусная кислота, связанная с кофермен- том А, обладает высокой химической активностью, поэтому ацетилко­фермент А часто называют активной уксусной кислотой.

В одной из реакций этого этапа еще участвует в качестве кофер­мента производное витамина В, - тиаминдифосфат.

Итоговое уравнение второго этапа ГДФ-пути: 0₃Н₄0₃ + 1/2 0₂ + HSKoA + 3 АДФ + 3 Н₃Р0₄ —

Пируват Кофермент А

О

СН₃ - С ~ SKoA + С0₂ + Н₂0 + 3 АТФ

Ацетил-КоА

На третьем этапе остаток уксусной кислоты, входящий в состав ацетилкофермента А, подвергается дальнейшему окислению и пре­вращается в С0₂ и Н₂0. Этот этап носит циклический характер и назы­вается циклом трикарбоновых кислот (ЦТК), или циклом Кребса. За счет выделяющейся энергии на этом этапе также осуществляется син­тез АТФ.

Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) - это завершающий этап ката­болизма не только углеводов, но и всех остальных классов органиче­ских соединений. Это обусловлено тем, что при распаде углеводов, жи­ров и аминокислот образуется общий промежуточный продукт - ук­сусная кислота, связанная со своим переносчиком - коферментом А - в форме ацетилкофермента А.

Вышесказанное можно иллюстрировать следующей схемой:

Белки Углеводы Жиры (аминокислоты)^\^

Ацетил-КоА \ЦТК

С0₂ н₂о

Цикл Кребса протекает в митохондриях с обязательным потребле­нием кислорода и требует функционирования тканевого дыхания.

На первой стадии цикла остаток уксусной кислоты переносится с молекулы ацетилкофермента А на молекулу щавелево-уксусной ки­слоты (ЩУК) с образованием лимонной кислоты:

СН₃ + I

С = О ^SKoA

СООН I СН, I с=о I СООН щук

+ Н₂0

Ацетил-КоА

СООН I

сн₂

I

НО-С-СООН + I

сн₂

I

СООН

Лимонная кислота

HS - КоА

Кофермент А

Лимонная кислота содержит три карбоксильные группы, т. е. явля­ется трикарбоновой кислотой, что обусловило название этого цикла.

Далее, от лимонной кислоты поочередно отщепляются две молекулы С0₂ и четыре пары атомов водорода и вновь образуется ЩУК (в связи с этим рассматриваемый процесс называется циклом). Отщепленный во­дород по дыхательной цепи передается на молекулярный кислород с об­разованием воды. Перенос каждой пары атомов водорода на кислород сопровождается синтезом трех молекул АТФ. Всего при окислении од­ной молекулы ацетилкофермента А синтезируется 12 молекул АТФ.

Итоговое уравнение цикла Кребса (третьего этапа ГДФ-пути):

О

СН₃ - С ~ SKoA + 2 0₂ + 12 АДФ + 12 Н₃Р0₄ --------------- —

Ацетилкофермент А

HSKoA + 2 СО, + Н,0 + 12 АТФ

Схематично цикл Кребса можно представить следующим образом:

HSKoA

Ацетил-КоА (С₂)

Щавелево-уксусная кислота (С₄)

2 Н (+ 1/2 О_г, -ЗАТФ)

Яблочная кислота (С₄)

Лимонная кислота (С₆)

2 Н(+ 1/2 О_г, -ЗАТФ) а-кетоглутаровая кислота (С₅)

Г^ ^с°2

2 Н (+ 1/2 0₂, -ЗАТФ)

Янтарная кислота (С₄)

2 Н (+ 1/2 0₂, - 3 АТФ)

Биологическая роль цикла трикарбоновых кислот заключается в том, что он является главным источником АТФ для организма. Цикл Кребса дает АТФ больше, чем все вместе взятые предшествующие ему процессы образования ацетилкофермента А из белков, углеводов и жи­ров.

Суммируя уравнения всех трех этапов, можно получить итоговое уравнение аэробного ГДФ-пути окисления глюкозы в целом (коэффи­циенты в уравнениях второго и третьего этапов необходимо удвоить, так как из одной молекулы глюкозы образуется две молекулы пирувата и соответственно две молекулы ацетил-КоА):

Дата добавления: 2015-05-06