Обмен веществ и энергии
реклама
Обмен веществ и энергии Метаболизм или обмен веществ - совокупность химических реакций в организме, которые обеспечивают его веществами и энергией, необходимыми для жизнедеятельности. В обмене веществ можно выделить два основных этапа: подготовительный - когда поступившее алиментарным путем вещество подвергается химическим превращениям, в результате которых оно может поступить в кровь и далее проникнуть в клетки, и собственно метаболизм, т.е. химические превращения соединений, проникнувших внутрь клеток. Метаболический путь - это характер и последовательность химических превращений конкретного вещества в организме. Промежуточные продукты, образовавшиеся в процессе метаболизма называются метаболитами, а последнее соединение метаболического пути - конечный продукт. Процесс распада сложных веществ на более простые называется катаболизмом. Так, поступающие в пищей белки, жиры, углеводы под действием ферментов пищеварительного тракта распадаются на более простые составные части (аминокислоты, жирные кислоты и моносахариды). При этом высвобождается энергия. Обратный процесс, т. е. синтез сложных соединений из более простых называется анаболизмом. Он идет с затратой энергии. Из образовавшихся в результате пищеварения аминокислот, жирных кислот и моносахаридов в клетках синтезируются новые клеточные белки, фосфолипиды мембран и полисахариды. Существует понятие амфиболизм, когда одно соединение разрушается, но при этом синтезируется другое. Метаболический цикл - это метаболический путь, один из конечных продуктов которого идентичен одному из соединений, вовлеченных в этот процесс. Частный путь метаболизма - совокупность превращений одного определенного соединения (углеводы или белки). Общий путь метаболизма - когда вовлекаются два и более видов соединений (углеводы, липиды и частично белки вовлечены в энергетический метаболизм). Субстраты метаболизма - соединения поступающие с пищей. Среди них выделяют основные пищевые вещества (белки, углеводы, липиды) и минорные, которые поступают в малых количествах (витамины, минеральные вещества). Интенсивность метаболизма определяется потребностью клетки в тех или иных веществах или энергии, регуляция осуществляется четырьмя путями: 1/) 1) Суммарная скорость реакций определенного метаболического пути определяется концентрацией каждого из ферментов этого пути, значением рН среды, внутриклеточной концентрацией каждого из промежуточных продуктов, концентрацией кофакторов и коферментов. 2/) 2) Активностью регуляторных (аллостерических) ферментов, которые обычно катализируют начальные этапы метаболических путей. Большинство из них ингибируется конечным продуктом данного пути и этот вид ингибирования называется "по принципу обратной связи". 3/) 3) Генетический контроль, определяющий скорость синтеза того или иного фермента. Яркий пример - появление в клетке индуцибельных ферментов в ответ на поступление соответствующего субстрата. 4/) 4) Гормональная регуляция. Ряд гормонов способны активировать или ингибировать многие ферменты метаболических путей. Живые организмы представляют собой термодинамически неустойчивые системы. Для их формирования и функционирования необходимо непрерывное поступление энергии в форме, пригодной для многопланового использования. Для получения энергии практически все живые существа на планете приспособились подвергать гидролизу одну из пирофосфатных связей АТФ. В связи с этим одна из главных задач биоэнергетики живых организмов это восполнение использованных АТФ из АДФ и АМФ. Основной источник энергии в клетке - окисление субстратов кислородом воздуха. Этот процесс осуществляется тремя путями: присоединением кислорода к атому углерода, отщеплением водорода или потерей электрона. В клетках окисление протекает в форме последовательного переноса водорода и электронов от субстрата к кислороду. Кислород играет в этом случае роль восстанавливающегося соединения (окислителя). Окислительные реакции протекают с высвобождением энергии. Для биологических реакций характерны сравнительно небольшие изменения энергии. Это достигается за счет дробления процесса окисления на ряд промежуточных стадий, что позволяет запасать ее небольшими порциями в виде макроэргических соединений (АТФ). Восстановление атома кислорода при взаимодействии с парой протонов и электронов приводит к образованию молекулы воды. Тканевое дыхание Это процесс потребление клетками тканей организма кислорода, который участвует в биологическом окислении. Такой вид окисления называют аэробным окислением. Если конечным акцептором в цепи переноса водорода выступает не кислород, а другие вещества (например пировиноградная кислота), то такой тип окисления называют анаэробным. Т.о. биологическое окисление - это дегидрирование субстрата с помощью промежуточных переносчиков водорода и его конечного акцептора. Дыхательная цепь (ферменты тканевого дыхания) - это переносчики протонов и электронов от окисляемого субстрата на кислород. Окислитель - это соединение, способное принимать электроны. Такая способность количественно характеризуется окислительно-восстановительным потенциалом по отношению к стандартному водородному электроду, рН которого равен 7,0. Чем меньше потенциал соединения, тем сильнее его восстанавливающие свойства и наоборот. Т. о. любое соединение может отдавать электроны только соединению с более высоким окислительно-восстановительным потенциалом. В дыхательной цепи каждое последующее звено имеет более высокий потенциал, чем предыдущее. Дыхательная цепь состоит из: 1. 2. 3. 4. 1. 2. 3. 4. НАД - зависимой дегидрогеназы; ФАД- зависимой дегидрогеназы; Убихинона (КоQ); Цитохрмов b, c, a+a3 . НАД-зависимые дегидрогеназы. В качестве кофермента содержат НАД и НАДФ. Пиридиновое кольцо никотинамида способно присоединять электроны и протоны водорода. ФАД и ФМН-зависимые дегидрогеназы содержат в качестве кофермента фосфорный эфир витамина В2 (ФАД). Убихинон (КоQ) отнимает водород у флавопротеидов и превращается при этом в гидрохинон. Цитохромы - белки хромопротеиды, способные присоединять электроны, благодаря наличию в своем составе в качестве простетических групп железопорфиринов. Они принимают электрон от вещества, являющегося немного боле сильным восстановителем, и передают его более сильному окислителю. Атом железа связан с атомом азота имидазольного кольца аминоксилоты гистидина с одной стороны от плоскости порфиринового цикла, а с другой стороны с атомом серы метионина. Поэтому потенциальная способность атома железа в цитохромах к связыванию кислорода подавлена. В цитохроме с порфириновая плоскость ковалентно связана с белком через два остатка цистеина, а в цитохромах b и а, она ковалентно не связано с белком. В цитохроме а+а3 (цитохромоксидазе) вместо протопорфирина содержатся порфирин А, который отличатся рядом структурных особенностей. Пятое координационное положение железа занято аминогруппой, принадлежащей остатку аминосахара, входящего в состав самого белка. В отличии от гема гемолгобина атом железа в цитохромах может обратимо переходить из двух в трехвалентное состояние это обеспечивает транспорт электронов (См. подробнее приложение 1 "Атомная и электронная структура гемопротеинов "). Механизм работы электронтранспортной цепи Наружная мембрана митохондрии (рис. 4.8.1) проницаема для большинства мелких молекул и ионов, внутренняя почти для всех ионов (кроме протонов Н) и для большинства незаряженных молекул. Все вышеперечисленные компоненты дыхательной цепи встроены во внутреннюю мембрану. Транспорт протонов и электронов по дыхательной цепи обеспечивается разностью потенциалов между ее компонентами. При этом каждое увеличение потенциала на 0,16 В освобождает энергию, достаточную для синтеза одной молекулы АТФ из АДФ и Н3РО4. При потреблении одной молекулы О2 образуется 3 АТФ. Процессы окисления и образования АТФ из АДФ и фосфорной кислоты т.е. фосфорилирования протекают в митохондриях. Внутренняя мембрана образует множество складок - крист. Пространство органиченное внутренней мембраной матриксом. Пространство между внутренней и наружной мембранами называется межмембранным. Такая молекула содержит в себе три макроэргических связи. Макроэргической или богатой энергией называют химическую связь, при разрыве которой высвобождается более 4 ккал/моль. При гидролитическом расщеплении АТФ до АДФ и фосфорной кислоты высвобождается 7,3 ккал/моль. Ровно столько же тратится для образования АТФ из АДФ и остатка фосфорной кислоты и это один из основных путей запасания энергии в организме. В процессе транспорта электронов по дыхательной цепи высвобождается энергия, которая тратится на присоединение остатка фосфорной кислоты к АДФ с образованием одной молекулы АТФ и одной молекулы воды. В процессе переноса одной пары электронов по дыхательной цепи высвобождается и запасается в виде трех молекул АТФ 21,3 ккал/моль. Это составляет около 40 % высвободившейся при электронном транспорте энергии. Такой способ запасания энергии в клетке называется фосфорилированием или сопряженным фосфорилированием. окислительным Молекулярные механизмы этого процесса наиболее полно объясняет хемоосмотическая теория Митчелла, выдвинутая в 1961 году. Механизм окислительного фосфорилирования (рис.4.8.2.): 1/) 1) НАД-зависимая дегидрогеназа расположена на матриксной поверхности внутренней мембраны митохондрий отдает пару электронов водорода на ФМНзависимую дегидрогеназу. При этом из матрикса пара протонов переходит также на ФМН и в результате образуется ФМН Н2. В это время пара протонов, принадлежащих НАД выталкивается в межмембранное пространство. 2/) 2) ФАД-зависимая дегидрогеназа отдает пару электронов на КоQ а пару протонов выталкивает в межмембранное пространство. Получив электроны КоQ принимает из матрикса пару протонов и превращается в КоQ Н2. 3/) 3) КоQ Н2 выталкивает пару протонов в межмембранное пространство, а пара электронов передается на цитохромы и далее на кислород с образованием молекулы воды. В итоге при переносе пары электронов по цепи из матрикса в межмембранное пространство перекачивается 6 протонов (3 пары), что ведет к созданию разницы потенциалов и разницы рН между поверхностями внутренней мембраны. 4/) 4) Разница потенциалов и разница рН обеспечивают движение протонов через протонный канал обратно в матрикс. 5/) 5) Такое обратное движение протонов ведет к активации АТФ-синтазы и синтезу АТФ из АДФ и фосфорной кислоты. При переносе одной пары электронов (т.е. трех пар протонов) синтезируется 3 молекулы АТФ (рис. 4.7.3.). Разобщение процессов дыхания и окислительного фосфорилирования происходит если протоны начинают проникать через внутреннюю мембрану митохондрий. В этом случае выравнивается градиент рН и исчезает движущая сила фосфорилирования. Химические вещества - разобщители называются протонофорами, они способны переносить протоны через мембрану. К таковым относятся 2,4 -динитрофенол, гормоны щитовидной железы и др. (рис. 4.8.3.). Образовавшаяся АТФ из матрикса в цитоплазму переносится ферментами транслоказами, при этом в обратном направлении в матрикс переносится одна молекула АДФ и одна молекула фосфорной кислоты. Понятно, что нарушение транспорта АДФ и фосфата тормозит синтез АТФ. Скорость окислительного фосфорилирования зависит в первую очередь от содержания АТФ, чем быстрее она расходуется, тем больше накапливается АДФ, тем больше потребность в энергии и следовательно активнее идет процесс окислительного фосфорилирования. Регуляцию скорости окислительного фосфорилирования концентрацией в клетке АДФ называют дыхательным контролем. Обмен белков Важный критерий пищевой ценности белков – доступность аминокислот. Аминокислоты большинства животных белков полностью высвобождаются в процессе пищеварения. Исключение составляют белки опорных тканей (коллаген и эластин). Белки растительного происхождения перевариваются в организме плотоядных плохо, т.к. содержат много волокон и иногда ингибиторы протеаз (соя, горох). У жвачных растительные белки перевариваются под действием ферментов микрофлоры рубца. Существенный критерий ценности пищевого белка – аминокислотный состав. Чем больше содержится незаменимых аминокислот, тем полезнее данный белок для организма. Переваривание и всасывание белков В ротовой полости не происходит. В желудке главные клетки слизистой оболочки секретируют пепсиноген – предшественник протеолитического фермента пепсина. В результате аутокатализа в кислой среде желудочного сока фермент активируется. Соляная кислота поддерживает рН в пределах 1,5-2,0. Это оптимальные условия для активной работы фермента. В кислой среде белки корма подвергаются денатурации, что делает их более доступными ферментативному протеолизу. Пепсин быстро гидролизует в белках пептидные связи, образованые ароматическими аминокислотами и медленно связи между лейцином и дикарбоновыми аминокислотами. В тонком отделе кишечника происходит дальнейший гидролиз пептидов до аминокислот. Туда поступает панкреатический сок с рН 7,8-8,2. Он содержит неактивные предшественники протеаз: трипсиноген, химотрипсиноген, прокарбоксипептидазу, проэластазу. Слизистой кишечника вырабатывается фермент энтеропептидаза, который активирует трипсиноген до трипсина, а последний уже все остальные ферменты. Протеолитические ферменты содержатся также в клетках слизистой кишечника, поэтому гидролиз небольших пептидов происходит после их всасывания. Конечный результат действия ферментов желудка и кишечника – расщепление почти всей массы пищевых белков до свободных аминокислот. Всасывание аминокислот происходит в тонком отделе кишечника. Это активный процесс и требует затраты энергии. Основной механизм транспорта – гамма-глутамильный цикл. В нем участвует 6 ферментов и трипептид глутатион (глутамилцистеинилглицин). Ключевой фермент – гамма-глутамилтрансфераза. Кроме того, процесс всасывания АК требует присутствия ионов Na+. Аминокислоты попадают в портальный кровоток – в печень и в общий кровоток. Печень и почки поглощают аминокислоты интенсивно, мозг избирательно поглощает метионин, гистидин, глицин, аргинин, глутамин, тирозин. В толстом отделе кишечника не всосавшиеся по каким-либо причинам (недостаток или низкая активность протеолитических фрементов, нарушение процессов транспорта АК) пептиды и АК подвергаются процессам гниения. При этом образуются такие продукты как: фенол, крезол, сероводород, метилмеркаптан, индол, скатол, а также группа соединений под общим названием «трупные яды» - кадаверин, путресцин. Эти вещества всасываются в кровь и поступают в печень, где подвергаются конъюгации с глюкуроновой кислотой и другим процессам обезвреживания (см. подробнее главу "Биохимия печени"). Затем они выводятся из организма с мочой. Переваривание белков у жвачных Под действием ферментов микрофлоры рубца белки гидролизуются до АК, которые могут использоваться двумя путями: 1) идти на синтез белков микрофлоры рубца; 2) подвергаться процессу брожения; Вновь образовавшаяся микрофлора поступает в сычуг и далее подвергается действию ферментов как и у моногастричных животных. Сбраживание АК завершается образованием летучих жирных кислот (ЛЖК: молочной, масляной, уксусной, пропионовой) и аммиака. Данные продукты в свою очередь идут: 1) на синтез белков микрофлоры рубца; 2) поступают в кровь и идут на энергетические нужды. Пути использования АК в организме 1/) 1) синтез собственных белков организма (см. главу "Матричный биосинтез); 2/) 2) при дефиците энергии участие в ЦТК (рис. 4.9.1.); 3/) 3) участие в образовании биологически активных веществ (БАВ). Ряд аминокислот в клетках подвергается химической модификации: 1/) 1) окислительное дезаминировние или отщепление аминогруппы катализируется ферментами класса аминооксидаз. Они очень специфичны и малоактивны. Единственный высокоактивный фермент работает в печени и мозге – это глутаматдегидрогеназа (ГДГ). Он катализирует превращение глутаминовой кислоты в альфа-кетоглутаровую; 2/) 2) переаминироване. Происходит обмен аминогруппы на кетогруппу между аминои кетокислотой. Глутаминовая кислота взаимодействует с пировиноградной, при этом образуется альфа-кетоглутаровая кислота и аланин; 3) декарбоксилирование или отщепление карбоксильной группы с образованием СО2 и амина. Катализируют реакцию декарбоксилазы. В тканях этим процессам подвергаются в основном гистидин, тирозин, глутаминовая кислота. Из них образуются гистамин, тирамин, гамма-аминомаслянная кислота. Гистамин - продукт декарбоксилирования гистидина. Накапливается в тучных клетках. В слизистой желудка активирует синтез пепсина и соляной кислоты. Является одним из медиаторов воспаления. Серотонин образуется из триптофана преимущественно в нейронах гипоталамуса и стволе мозга. Является медиатором этих нейронов. Разрушается под действием моноаминоксидазы обычно в печени. Дофамин – производное тирозина. Он является медиатором проведения нервного импульса, а также предшественником меланина, норадреналина и адреналина. Процессы гниения в тонком отделе кишечника происходят также под действием декарбоксилаз. Биосинтез аминокислот Если незаменимые АК должны в обязательном порядке поступать в организм с пищей, то заменимые АК могут в случае их дефицита синтезироваться одна из другой. Полностью заменимыми являются 8 аминокислот: Ала, Аск, Асп, Глк, Глн, Сер, Глн и Про. Исходными соединениями для их биосинтеза являются компоненты гликолитической цепи и ЦТК. Добавление аминогруппы чаще осуществляется при участии глутаматдегидрогеназы. Аланин из пирувата, аспарагин – из фумарата, глутамин из альфа-кетоглутарата, из него также пролин, орнитин и аргинин, серин и глицин - из 3фосфоглицерата. Аспартат может также образовываться из оксалоацетата с использованием в качестве донора аминогруппы от глутамата (Ф: АсАт). Аланин при участии фермента АлАт из пирувата (аминогруппа также от глутамата). Ряд других АК могут синтезироваться в организме, но по более сложным механизмам. Биосинтез сложных белков Пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды. Пуриновый скелет образуется в ходе нескольких реакций из аспартата, формила, глутамина, глицина и СО2. Пиримидиновый скелет из глутамина, аспарагиновой кислоты и СО2. Катаболизм пуриновых нуклеотидов завершается образованием мочевой кислоты. Катаболизм пиримидиновых нуклеотидов – аланином и аминомасляной кислотой. Синтез гемоглобина включает в себя образование глобина и гема. Глобин синтезируется как и все белки. Предшественники гема – сукцинил КоА и глицин. Из них образуется аминолевулиновая кислота (Е: аминолевулитат-синтетаза). Две молекулы аминолевулиновой кислоты конденсируются с образованием порфобилиногена (Е: порфобилиногенсинтетаза). Четыре молекулы порфобилиногена конденсируются в тетрапиррольное соединение которое модифицируется в протопорфирин. Заключительный этап – присоединение железа (Е: феррохелатаза). Разрушение гемоглобина происходит в такой последовательности: 1/) 1) раскрытие пиррольного кольца с образованием вердоглобина; 2/) 2) удаление железа после чего получается биливердоглобин; 3/) 3) отщепление глобина с образованием биливердина; 4/) 4) восстановление метиновой группы с получением билирубина. Билирубин с током крови доставляется в печень, где часть его этерифицируется при участии УТФ-глюкуронилтрансферазы. Этерифицированный билирубин называется прямым (связанным), а неэтерифицированный – непрямым (свободным). Связанный билирубин выделяется с желчью в 12-перстную кишку, где после ряда превращений под действием ферментов микрофлоры он превращается в стеркобилин и выделяется с калом или в уробилин и выделяется с мочой. Повышение содержания билирубина в крови – билирубинемия. Обезвреживание аммиака Он образуется в основном при дезамировании аминокислот. 1/) 1) Восстановительное аминировние происходит в малом объеме и несущественно. 2/) 2) Образование амидов аспарагиновой и глутаминовой кислот (аспарагина и глутамина). Этот процесс в основном протекает в нервной ткани, где очень важно обезвреживать аммиак. 3/) 3) Образование солей аммония происходит в почечной ткани (хлорид аммония удаляется с мочой). 4/) 4) Основной путь – синтез мочевины. Происходит в цикле мочевины или орнитиновом цикле. У большинства наземных позвоночных аммиачный азот выводится в виде мочевины, такие организмы называются уротелическими. Костные рыбы - аммониотелические организмы, они выделяют азот непосредственно в виде аммиака. Наземные рептилии и птицы вводят азот в виде мочевой кислоты - это урикотелические организмы. Процесс образования мочевины протекает в печени и состоит из цикла реакций (Кребс и Хенселяйт, 1932). Называется цикл мочевины или орнитиновый цикл. 1/) 1) свободный аммиак и СО2 при участии 2АТФ образует макроэргическое соединение карбамоилфосфат. Е: карбамоилфосфатсинтетаза; 2/) 2) Крабамоилфосфат отдает орнитину свою карбамильную группу, Е: орнитинтранскарбамилаза и образуется цитрулин и Н3РО4; 3/) 3) Цитрулин взаимодействует с аспарагиновой кислотой с образованием аргининсукцината, при этом АТФ переходит в АМФ. Катализирует реакцию Е: аргининсукцинатсинтаза; 4/) 4) Аргининсукцинат расщепляется на фумарат и аргинин под действием Е: аргининсукцинатлиазы; 5/) 5) Аргинин под действием аргиназы расщепляется путем гидролиза на мочевину и орнитин. Орнитин вновь включается в цикл. Мочевина – безвредное соединение и выводится из организма с мочей. Обмен липидов Переваривание и всасывание Триацилглицериды (ТАГ) или просто жиры поступают в организм с пищей животного и растительного происхождения. В большом количестве они содержатся в сале, растительном и сливочном масле, мясе, куриных яйцах, печени. В ротовой полости и желудке эти процессы не идут из-за отсутствия ферментов. В 12-перстную кишку тонкого отдела кишечника с соком поджелудочной железы поступает липаза в виде неактивной формы – пролипазы. С желчью туда же поступают желчные кислоты, под действием которых липаза активируется. Желчные кислоты ориентируются на каплях жира, что приводит к уменьшению поверхностного натяжения и дроблению их на более мелкие. Т.е. желчь эмульгирует жиры. На поверхности таких мелких капель адсорбируется липаза и гидролизует эфирные связи в молекулах триацилглицеридов. В результате от глицерина отщепляются поочередно остатки жирных кислот (ЖК). Высвобождающиеся ЖК усиливают эмульгирование жиров. Желчные кислоты образуют комплекс с ЖК и моноацилглицеридами, который легко проникают в клетки слизистой оболочки кишечника. В толще слизистой желчные кислоты отщепляются от ЖК и с портальным кровотоком поступают обратно в печень, где вновь включаются в состав желчи. Из кишечника ЖК транспортируются по лимфе и крови к органам и тканям. Поскольку эти вещества гидрофобны, то они переносятся по крови в комплексе с белками, образуя липопротеиды. Наиболее распространены: хиломикрон и липопротеиды очень низкой плотности (ЛПОНП). Окисление жирных кислот ЖК во многих тканях, в первую очередь в скелетных мышцах и миокарде вовлекаются в процесс -окисления. Он протекает в митохондриях и начинается с активации, т.е. присоединения КоА к ЖК с образованием ацил-КоА RCOOH +HSKoA+АТФ = RCO-SКoA+АМФ. Мембрана митохондрий непроницаема для ЖК даже в активированной форме, поэтому ацил-КоА соединяется со специальным переносчиком карнитином. Образуется ацилкарнитин, который проникает в митохондрии, где вновь распадается на карнитин и ацил-КоА. Процесс -окисления включает 4 стадии (Рис. 4.12.1.). 1. дегидрирование ацил-КоА до дегидроацил-КоА с участием ФАД-зависимой дегидрогеназы; 2. присоединение к дегидроацил-КоА воды в -положении с образованием гидрооксиацил-КоА при участии гидратазы; 3. дегидрирование гидрооксиацил-КоА до -кетоацил-КоА при участии НАДзависимой дегидрогеназы; 4. расщепление тиосвязи при участии тиолазы с образованием ацил-КоА и ацетилКоА. В реакциях дегидрирования на 1 и 3 стадиях образуются восстановленные коферменты, которые передают атомы водорода на ЭТЦ, где синтезируется АТФ. Каждая ЖК при очередном цикле распадается на ацил- и ацетил-КоА, при этом цепь укорачивается на два углеродных атома. Ацетил-КоА поступает в ЦТК, а ацил-КоА вновь проходит все 4 стадии. Это повторяется до тех пор, пока при очередном цикле не останется ацетил-КоА. Из ЖК образуется ацетилов в два раза меньше, чем количество атомов углерода в ней. Окисление ненасыщенных ЖК происходит так же, как и окисление ненасыщенных ЖК. Существует дополнительный фермент трансеноилизомераза, который осуществляет перемещение двойной связи из положения 3-4 в положение 2-3. При этом получается нормальный субстрат, который может подвергаться дальнейшему окислению, как и ЖК с четным числом атомов. Окисление ЖК с нечетным числом углеродных атомов Они редко встречаются в природе, но образуются в ходе окислительного расщепления валина и изолейцина. Окисление происходит по обычному пути, до тех пор, пока в конце очередного цикла не останется трехуглеродный фрагмент в виде пропионил-КоА. Он далее подвергается ферментативному карбоксилированию в результате которого получается метилмалонил-КоА, который затем изомеризуется в сукцинил-КоА. Под воздействием сукцинилтиокиназы из него образуется сукцинат и ацетил-КоА. Кетоновые тела Печень обладает способностью ферментативным путем превращать ацетил-КоА в свободную ацетоуксусную кислоту и эфир -оксимасляной кислоты. Они доставляются кровью к периферическим органам и тканям, где включаются в ЦТК. В норме кетоновых тел содержится немного. Увеличение этого показателя наблюдается при голодании и сахарном диабете и называется кетоз. В крови – кетонемия, в моче – кетонурия. Биосинтез ЖК Протекает в цитоплазме и включает следующие реакции: 1. 1. карбоксилировние ацетил-КоА до малонил-КоА (Е: карбоксилаза, кофермент - биотин); 2. 2. соединение ацетил-КоА и малонил-КоА с ацетилпереносящими белками; 3. 3. конденсация ацетил-КоА и малонил-КоА с образованием комплекса ацетоацетил-ацетилпереносящий белок; 4. 4. восстановление кетоновых групп до спиртовых (кофермент - НАДН); 5. 5. отщепление воды с образованием ненасыщенной связи; 6. 6. насыщение двойной связи, при этом образуется бутирил-КоА (кофермент НАДФН). Бутирил-КоА вступает в новый цикл, где удлиняется на 2 атома. Циклы повторяются до получения необходимой длины цепи. Синтез сложных липидов Триглицериды синтезируются на основе глицерофосфата и ацил-КоА. Вначале присоединяется два ацила, а затем под действием фосфатазы теряется остаток фосфата и присоединяется третий ацил. Биосинтез стероидов Холестерол синтезируется на основе ацетил-КоА. Около 80% в печени, 10 % в клетках кишечника и 5% в клетках кожи. Желчные кислоты образуются в печени из холестерола. Обмен углеводов Функции углеводов 1. Энергетическая (глюкоза, гликоген). 2. Структурная (гиалуроновая кислота). 3. Антикоагулирующая (гепарин). 4. Гомеостатическая (поддерживает, в частности, водно-электролитный баланс и осмотическое давление крови). 5. 5. Механическая (входят в состав соединительной ткани). 1. 2. 3. 4. Классификация углеводов Моносахариды, которые не могут быть гидролизованы на более простые сахара. В зависимости от числа атомов углерода их подразделяют на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы. В зависимости от присутствия альдегидной или кетоновой группы на альдозы и кетозы. Дисахариды состоят из двух остатков моносахаридов: 1/) 1) сахароза состоит из остатков глюкозы и фруктозы, соединенных -1,4гликозидной связью; 2/) 2) лактоза состоит из остатков глюкозы и галактозы, соединенных -1,4-гликозидной связью; 3/) 3) мальтоза состоит из двух остатков глюкозы, соединенных -1,4-гликозидной связью; 4/) 4) целлобиоза состоит из двух остатков глюкозы, соединенных -1,4-гликозидной связью. Гомополисахариды - длинные разветвленные цепи, состоящие из одних и тех же моносахаридов: 1/) 1) крахмал - полимер глюкозы, соединенной -1,4 и -1,6-гликозидными связями. При этом неразветвленные цепи образуют амилозу (20%), а разветвленные амилопектин (80%); 2/) 2) гликоген - животный крахмал, состоящий из остатков глюкозы. Это более разветвленный полимер, чем крахмал. При частичном гидролизе крахмала или гликогена образуются декстрины (более короткие разветвленные цепи); 3/) 3) целлюлоза - главный компонент структурной основы растительных клеток. Это линейный полимер глюкозы, соединенной -1,4-гликозидными связями. Гетерополисахариды состоят из разных мономеров: 1/) 1) гепарин содержит остатки D-глюконат-2-сульфита и N-ацетилглюкозамин-6сульфата; 2/) 2) гиалуроновая кислота состоит из остатков D-глюкуроновой кислоты и остатков Nацетилглюкозамина. Входит в состав соединительной ткани и участвует в регуляции проницаемости кканей. Переваривание и всасывание углеводов У моногастричных животных в ротовой полости под действием амилазы (, ) слюны происходит частичный гидролиз гликозидных связей полисахаридов (крахмала). Но активность этого фермента низкая, особенно у плотояндых. В желудке специфических ферментов нет, а амилаза при низкой рН быстро инактивируется. В тонком отделе кишечника происходит основной гидролиз сахаров. Крахмал под действием амилазы поджелудочной железы, протоки которой открываются в 12-перстную кишку расщепляется до мальтозы и изомальтозы. Этот дисахарид, а также сахароза и лактоза расщепляются специфическими гликозидазами - мальтазой, изомальтазой, сахаразой и лактазой. Эти ферменты продуцируются клетками слизистой и не поступают в просвет, а действуют на поверхности оболочки кишечника. Это т.н. пристеночное пищеварение. Дисахариды расщепляются до моносахаридов: глюкозы, фруктозы и галактозы, которые всасываются в стенки кишечника и поступают в кровь. Проникновение моносахаридов через клеточные мембраны происходит путем облегченной диффузии при участии специальных ферментов транслоказ. Глюкоза и галактоза еще проникают и путем активного транспорта за счет градиента концентраций ионов Na+, который создается Na+-К+-АТФ-азой (насос). У полигастричных животных в ротовой полости переваривание сахаров не происходит из-за отсутствия ферментов. В рубце (первом из преджелудков) происходит 50% переваривания сахаров. Ферменты вырабатываются микрофлорой рубца (мальтаза, сахараза, целлюлаза). Образовавшиеся в результате ферментативного гидролиза поли- и дисахаридов моносахара под действием бактерий рубца подвергаются процессам брожения, среди которых выделяют следующие виды: 1/) 1) уксуснокислое (Глю = уксусная кислота + СО2); 2/) 2) пропионовокислое (Глю = пропионовая кислота + СО2); 3/) 3) маслянокислое (Глю = масляная кислота + СО2); 4/) 4) молочнокислое (Глю = молочная кислота + СО2). Все эти кислоты называются летучими жирными кислотами (ЛЖК). Наилучший вариант, когда уксуснокислое брожение составляет 70% и хуже когда преобладает маслянокислое. ЛЖК всасываются в стенки сетки и книжки и идут на энергетические нужды организма. В сычуге (истинный желудок, имеет строение как и у моногастричных) переваривания углеводов не происходит из-за отсутствия ферментов. В тонком отделе кишечника идет переваривание остатков сахаров как и у моногастричных животных. Гликолиз Последовательные реакции гликолиза катализируются группой из 11 ферментов. Процесс представляет собой две стадии (рис.4.11.1.). На первой из них глюкоза (Г) фосфорилируется и затем расщепляется с образованием двух молекул трехуглеродного соединения - глицеральдегид-3-фосфата. Эту стадию рассматривают как подготовительную. Именно на ней различные гексозы вовлекаются в гликолиз, фосфорилируются за счет АТФ и в итоге образуют общий продукт (Г-3-Ф). Вторая стадия представляет процесс общий для всех сахаров. Он включает и окислительновосстановительные реакции и этапы образования АТФ (т.е. накопления энергии). Первая стадия 1/) 1) Фосфорилирование Г за счет АТФ до образования глюкозо-6-фосфата (Г-6-Ф). Эта реакция является пусковой для всего процесса и идет в одном направлении. Е: гексокиназа и глюкокиназа. Гексокиназа более важный фермент, он используется в большинстве клеток. Он фосфорилирует еще фруктозу, маннозу. Глюкокиназа содержится только в гепатоцитах и обладает сродством только к глюкозе. Кофакторами этой реакции являются ионы магния и марганца. 2/) 2) Превращение Г-6-Ф во фруктозо-6-фосфат (Ф-6-Ф). Эта реакция изомеризации. Е: фосфоглюкоизомераза. Реакция обратимая. Кофакторы: иона магния и марганца. 3/) 3) Фосфорилирование Ф-6-Ф до фруктозо-1,6-дифосфата (Ф-1,6-ДФ). Эта вторая пусковая реакция гликолиза требует затраты еще одной молекулы АТФ. Реакция необратима. Е: фосфофруктокиназа. Кофактор: ионы магния. Донорами фосфата могут быть помимо АТФ УТФ. Активность этого фермента активируется АДФ и АМФ и ингибируется АТФ. 4/) 4) Расщепления Ф-1,6-ДФ на две молекулы глицеральдегид-3-фосфат (ГА-3-Ф). Е: альдолаза. Содержит свободные SH-группы. Реакция обратимая и идет в две стадии. Вначале образуется одна молекула ГА-3-Ф и диоксиацетонфосфат, а затем последний превращается в еще одну молекулу ГА-3-Ф. Данная реакция завершает подготовительную стадию, на которой было истрачено 2 молекулы АТФ и образовалось 2 молекулы ГА-3-Ф. Вторая стадия Здесь все реакции идут двумя параллельными путями. 5/) 5) Окисление ГА-3-Ф до 1,3-дифосфоглицерата (1,3-ДФГ). Энергия, освобождающаяся при окислении альдегидной группы ГА-3-Ф, сохраняется в форме высокоэргического продукта 1,3 - ДФГ. Е: глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа (ГА-3-Ф-ДГ). Кофермент: НАД, который в ходе реакции восстанавливается. 6/) 6) Превращение 1,3-ДФГ в 3-фосфоглицерат (3-ФГ). Е: фосфоглицераткиназа. Образуется одна молекула АТФ. 7/) 7) Превращение 3-ФГ в 2-фосфоглицерат (2-ФГ). Это реакция изомеризации. Е: фосфоглицеромутаза. Кофактор: ионы магния. 8/) 8) Превращение 2-ФГ в фосфоенолпируват. Е: енолаза. Кофакторы: ионы магния и марганца. Ингибитор: фторид. 9/) 9) Превращение фосфоенолпирувата в пируват. Образуется одна молекула АТФ. Е: пируваткиназа. Кофакторы: ионы магния, марганца, калия. Ингибирор: ионы кальция (конкурируют с марганцем). 10/) 10) Восстановление пирувата до лактата. Источником электронов служит ГА-3-Ф, а их переносчиком является НАДН. Е: лактатдегидрогеназа. Лактат (молочная кислота) - конечный продукт анаэробного гликолиза. Выделяется через плазматическую мембрану как конечный метаболит. При усиленной работе мышц возникает дефицит кислорода и окисление глюкозы идет до лактата, при этом в мышечной ткани из-за накопления кислоты возникает ацидоз. Пентозофосфатный путь (ПФП) Наряду с гликолитическим путем распада глюкозы во многих клетках работает пентозофосфатный путь (гексамонофосфатный шунт). Он не является основным для метаболизма глюкозы и служит для генерации в цитоплазме клетки восстановленных форм НАДФ. Данный кофермент необходим для реакций восстановительного синтеза жирных кислот и стероидов, а также используется как донор водорода в реакциях гидроксилирования с участием цитохром-Р450-зависимой системы. Все эти процессы протекают преимущественно в клетках печени, молочной железы, коры надпочечников и жировой ткани. Скелетные мышцы, где синтез жирных кислот протекает вяло, практически лишены пентозофосфатного пути метаболизма глюкозы. Реакции представлены окислительной и неокислительной ветвями. Окислительная ветвь: 1. 1. Дегидрирование 1-го углеродного атома глюкозо-6-фосфата. Е: глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа. В качестве акцептора электронов выступает НАДФ+. Образуется 6-фосфоглюколактон - внутренний эфир. 2. 2. 6-фосфоглюколактон очень нестабильное соединение, свободной кислоты с образованием 6-фосфоглюконата. Е: фосфоглюколактоназа. легко гидролизуется до 3. 3. Окислительное декарбоксилирование 6-фосфоглюконата с образованием рибулозо5-фосфата. Е: 6-фосфоглюконатдекарбоксилазы и 6-фосфоглюконатдегидрогеназы (акцептор НАДФ + ). Т.о. окислительная ветвь завершается восстановлением двух молекул НАДФ+ Неокислительная ветвь это реакции изомеризации: 1. 1. Рибулозо-5-фосфат превращается в рибозо-5-фосфат. Е: фосфопентозоизомераза. 2. 2. Рибозо-5-фосфатпревращается в ксилулозо-5-фосфат. Е: пентозофосфатизомераза. 3. 3. Ксилулозо-5-фосфат взаимодействует с рибозо-5-фосфатом превращается в седогептулозо-7-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат. Последнее вещество является также продуктом гликолиза. Е: транскетолаза (простетическая група ТДФ). 4. 4. Седогептулозо-7-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат взаимодействуют между собой и превращаются в фруктозо-6-фосфат (также продукт гликолиза) и эритрозо-4фосфат. Е: трансальдолаза. 5. 5. Эритрозо-4-фосфат и ксилулозо-5-фосфат взаимодействуют между собой и певращаются в два продукта гликолиза фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3фосфат. Е: транскетолаза. Часть метаболитов реакций неокислительного этапа ПФП является одновременно и метаболитами гликолиза, а это означает, что между двумя метаболическими путями глюкозы существует тесная связь и в зависимости от условий, возникающих в клетке, возможно "переключение" с одного пути на другой. При сбалансированной потребности клетки в НАДФН и рибозо-5-фосфате, ПФП заканчивается на окислительной этапе. Если потребность в рибозо-5-фосфате превышает потребность в НАДФН, то окислительный этап ПФП "обходится" за счет гликолиза. Метаболиты гликолиза: фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат превращаются в рибозо-5-фосфат. Если больший дефицит в НАДФН, чем в рибозо-5-фосфате, то 1. 1. при высоком энергетическом статусе клетки рибозо-5-фосфат превращается в глицеральдегид-3-фосфат и фруктозо-6-фосфат, а последние идут не на путь гликолиза, а на глюконеогенез, т.к. нет потребности в генерации АТФ; 2. 2. при низком энергетическом статусе клетки фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид3-фосфат образовавшиеся из рибозо-5-фосфат, включаются в гликолиз и превращаются в пируват. В этом случае синтезируется АТФ. Биологический смысл ПФП: - в результате реакций окислительной ветви образуются две молекулы НАДФН, которые не окисляются в дыхательной цепи (как НАДН), а служат донорами водорода в ряде восстановительных реакций; - в неокислительной ветви генерируется рибозо-5-фосфат, необходимый для синтеза РНК, ДНК, НАД, ФАД; - ПФП называют еще и пентозофосфатным шунтом т.к. это процесс паралельный основному пути окисления глюкозы - гликолизу и при определенных условиях (см. выше) происходит переключение с дополнительного ПФП на основной гликолиз и наоборот. Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК, цикл лимонной кислоты, цикл Кребса) Аэробный путь окисления глюкозы начинается с того, что пировиноградная кислота (ПВК, пируват) не превращается в лактат, а поступает в ЦТК. ЦТК представляет собой серию реакций, протекающих в матриксе митохондрий, в ходе которых осуществляется катаболизм ацетильных групп (до СО2) и образование НАДН2 и ФАДН2. Восстановленные коферменты переносят водород на дыхательную цепь, где осуществляется окислительное фосфорилирование (см. главу "Обмен веществ и энергии"). Суммарное уравнение аэробного окисления одной молекулы глюкозы: 1-Глюк + 6 О2 = 6 СО2 + 6 Н2О + 38 АТФ Прежде чем ПВК вступит на путь ЦТК она подвергается окислительному декарбоксилированию при участии комплекса ферментов. Результатом такого взаимодействия является образование ацетил-КоА. В таком виде это соединение поступает на путь ЦТК 1. ацетил-КоА + оксалоацетат (щавелевокуксусная кислота) цитрат (лимонная кислота) + КоА Е: цитратсинтетаза; 2. 2. цитрат цис-аконитат + Н2О Е: аконитаза; 1. 3. 3. цис-аконитат + Н2О изоцитрат Е: изоцитратсинтетаза; 4. 4. изоцитрат + НАД+ альфа-кетоглутарат + СО2 + НАДН2 Е: изоцитратдегидрогеназа / декарбоксилаза; 5. 5. альфа-кетоглутарат + НАД+ сукцинат (янтарная кислота) + СО2 + НАДН2 Е: альфа-кетоглутаратдегидрогеназа / декарбоксилаза; 6. 6. сукцинат + ФАД+ фумарат + ФАДН2 Е: фумаратдегидрогеназа; 7. 7. фумарат + Н2О малат (яблочная кислота) Е: фумараза; 8. 8. малат + НАД+ оксалоацетат + НАДН2 Е: малатдегидрогеназа. Регуляторные ферменты: 1/) 2/) 3/) 4/) 1) 2) 3) 4) пируватдегидрогеназа (Ингибиторы: АТФ, НАДН, цитрат, Ац-КоА); цтратсинтаза (Ингибиторы: АТФ, НАДН, ВЖК); Изоцитратдегидрогеназа (Ингибиторы: АТФ, НА;ДН); Кетоглутаратдегидрогеназа (Ингибиторы: АТФ, НАДН). Минеральный обмен Минеральный обмен – совокупность процессов всасывания, распределения, усвоения и выделения минеральных веществ, находящихся в организма преимущественно в виде неорганических соединений. Всего в организме обнаруживается свыше 70 элементов таблицы Д.И. Менделеева, 47 из них присутствуют постоянно и называются биогенными. Минеральные вещества играют важную роль в поддержании кислотно-основного равновесия, осмотического давления, системе свертывания крови, регуляции многочисленных ферментных систем и пр., т.е. имеют решающее значение в создании и поддержании гомеостаза. По количественному содержанию в организме они делятся на макроэлементы, если их больше чем 0,01 % от массы тела (К, Са, Мg, Na, P, Cl) и микроэлементы (Mn, Zn, Cr, Cu, Fe, Co, Al, Se). Основную часть минеральных веществ организма составляют хлористые, фосфорнокислые и углекислые соли натрия, кальция, калия, магния. Соли в жидкостях организма находятся в частично или полностью диссоциированном виде, поэтому минеральные вещества присутствуют в виде ионов – катионов и анионов. Функции минеральных веществ: 1/) 1) пластическая (кальций, фосфор, магний); 2/) 2) поддержание осмотического давления (калий, натрий, хлор); 3/) 3) поддержание буферности биологических жидкостей (фосфор, калий, натрий); 4/) 4) поддержание коллоидных свойств тканей (все элементы); 5/) 5) детоксикационная (железо в составе цитохрома Р-450, сера в составе глутатиона); 6/) 6) проведение нервного импульса (натрий, калий); 7/) 7) участие в ферментативном катализе в качестве кофактора или ингибитора; 8/) 8) участие в гормональной регуляции (йод, цинк и кобальт входят в состав гормонов). Промежуточный и конечный обмен минеральных веществ Поступают минеральные вещества в организм в свободном или связанном виде. Ионы всасываются уже в желудке, основная часть минеральных веществ – в кишечнике путем активного транспорта при участии белков – переносчиков. Из желудочно-кишечного тракта поступают в кровь и лимфу, где связываются со специфическими транспортными белками. Выделяются минеральные вещества главным образом в виде солей и ионов. С мочой: натрий, калий, кальций, магний, хлор, кобальт, йод, бром, фтор. С калом: железо, кальций, медь, цинк, марганец, молибден, и тяжелые металлы. Характеристика отдельных элементов Натрий – основной катион внеклеточного отдела. Составляет 0.08 % от массы тела. Играет главную роль в поддержании осмотического давления. При отсутствии или ограничении в поступлении натрия в организм его выделение с мочой почти полностью прекращается. Всасывается в верхнем отделе тонкого кишечника при участии белковпереносчиков и требует затраты АТФ. Суточная потребность варьирует в зависимости от водно-солевого обеспечения организма. Депонируется в коже и мышцах. Кишечная потеря натрия происходит при диареях. 1/) 1) участвует в возникновении и поддержании электрохимического потенциала на плазматических мембранах клеток; 2/) 2) регулирует состояние водно-солевого обмена; 3/) 3) участвует в регуляции работы ферментов; 4/) 4) компонент K+ - Na+ насоса. Хлор – важнейший анион внеклеточного пространства. Составляет 0,06% от массы тела. Большая часть его содержится в желудочном соке. Участвует в поддержании осмотического равновесия. Активирует амилазу и пептидазы. Всасывается в верхних отделах кишечника, выделяется в основном с мочой. Концентрация хлора и натрия обычно изменяются параллельно. Калий – составляет 0,25% от массы тела. Во внеклеточном пространстве содержится только 2% от общего количества, а остальное - в клетках, где связан с углеводными соединениями. Всасывается на протяжении всего желудочно-кишечного тракта. Часть калия откладывается в печени и коже, а остальная поступает в общий кровоток. Обмен очень быстро протекает в мышцах, кишечнике, почках и печени. В эритроцитах и нервных клетках более медленный обмен калия. Играет ведущую роль в возникновении и проведении нервного импульса. Необходим для синтеза белков (на 1г белка – 20 мг ионов калия), АТФ, гликогена, принимает участие в формировании потенциала покоя. Выделяется в основном с мочой и меньше с калом. Кальций – внеклеточный катион. Составляет 1,9 % от массы тела. Содержание повышается в период роста или беременности. Функционирует как составная часть опорных тканей или мембран, участвует в проведении нервного импульса и инициации мышечного сокращения, является одним из факторов гемокоагуляции. Обеспечивает целостность мембран (влияет на проницаемость), т. к. способствует плотной упаковке мембранных белков. Кальций ограничено участвует в поддержании осмотического равновесия. Вместе с инсулином активирует проникновение глюкозы в клетки. Всасывается в верхнем отделе кишечника. Степень его усвоения зависит от рН среды (соли кальция в кислой среде нерастворимы). Жиры и фосфаты препятствуют всасыванию кальция. Для полного усвоения из кишечника необходимо наличие активной формы витамина Д3 Большая часть кальция содержится в костной ткани (99%) в составе микрокристаллов карбонатапатита 3Са2(РО4)2 СаСО3 и гидроксилапатита 3Са2(РО4)2 СаОН. Общий кальций крови включает три фракции: белоксвязанный, ионизированный и неионозированный (который находится в составе цитрата, фосфата и сульфата). Магний – составляет 0.05% от массы тела. В клетках его содержится в 10 раз больше, чем во внеклеточной жидкости. Многого магния в мышечной и костной ткани, также в нервной и печеночной. Образует комплексы с АТФ, цитратом, рядом белков. 1/) 1) входит в состав почти 300 ферментов; 2/) 2) комплексы магния с фосфолипидами снижают текучесть клеточных мембран; 3/) 3) участвует в поддержании нормальной температуры тела; 4/) 4) участвует в работе нервно-мышечного аппарата. Неорганический фосфор - содержится преимущественно в костной ткани. Составляет 1% от массы тела. В плазме крови при физиологических рН фосфор на 80 % представлен двухвалентным и на 20 % одновалентным анионом фосфорной кислоты. Фосфор входит в состав коферментов, нуклеиновых кислот, фосфопротеинов, фосфолипидов. Вместе с кальцием фосфор образует апатиты – основу костной ткани. Медь входит в состав многих ферментов и биологически активных металлопротеинов. Участвует в синтезе коллагена и эластина. Является компонентом цитохрома с электронтранспортной цепи. Сера – составляет 0.08%. Поступает в организм в связанном виде в составе АК и сульфатионов. Входит в состав желчных кислот и гормонов. В составе глутатиона участвует в биотрансформации ядов. Железо входит в состав железосодержащих белков и гема гемоглобина, цитохромов, пероксидаз. Цинк – является кофактором ряда ферментов. Кобальт входит в состав витамина В12. Обмен воды и электролитов Водно-электролитный обмен это совокупность процессов поступления, всасывания, распределения и выделения из организма воды и электролитов. Он обеспечивает постоянство ионного состава, кислотно-основного равновесия и объема жидкостей внутренней среды организма. Ведущую роль в нем играет вода. Функции воды: 1) внутренняя среда организма; 2) структурная; 3) всасывание и транспорт веществ; 4) участие в биохимических реакциях (гидролиз, диссоциация, гидратация, дегидратация); 5/) 5) конечный продукт обмена; 6/) 6) выделение при участии почек конечных продуктов обмена. 1/) 2/) 3/) 4/) Содержание воды в организме варьирует в зависимости от органов и тканей. Мозг – 7084%, почки – 82%, сердце и легкие – 79%, мышцы – 76%, кожа – 72%, печень – 70%, костная ткань – 10%. Вода, которая поступает алиментарным (с пищей) путем называется экзогенной, а образовавшаяся в качестве продукта биохимических превращений – эндогенной. Взаимосвязь обменов Обмен веществ складывается из химических превращений различных по природе веществ. Но можно назвать несколько общих целей метаболизма: генерация энергии и восстановленных эквивалентов, образование строительных блоков для биосинтеза. Генерация энергии Из различных по химической природе веществ высвобождается энергия их химических связей в результате ряда окислительно-восстановительных реакций. Катализируют такие реакции ферменты класса оксидоредуктаз, который насчитывает 17 подклассов. Восстановленные коферменты транспортируют электроны к единой структуре, обеспечивающей постепенное высвобождение и запасание энергии, – электронтранспортной цепи. Конечным акцептором этой цепи является молекулярный кислород, который доставляется посредством оксигемоглобина. Конечными продуктами длительного и многоступенчатого процесса генерации энергии являются макроэргические соединения (АТФ, УТФ и др.), вода и энергия в виде тепла. Генерация восстановленных эквивалентов В результате окислительно-восстановительных реакций, происходящих на этапах углеводного или липидного обменов, образуются восстановленные коферменты (НАДН, НАДФН, ФАДН, ФМНН), которые затем могут использоваться как общие для всех метаболических путей доноры водорода. Образование строительных блоков для биосинтеза Строительные блоки возникают как промежуточные продукты процессов катаболизма, ведущих к образованию энергии и восстановленных эквивалентов. Следовательно, все эти этапы объединены в единый многофункциональный процесс, направленный на поддержание жизнедеятельности клетки и постоянное обновление ее структур. Объединение нескольких метаболических путей в единый процесс неизбежно приводит к возникновению общих промежуточных метаболитов (рис. 4.14.1.). Глюкозо-6-фосфат образуется из глюкозы и гликогена. Может расходоваться на: 1. синтез глюкозы и гликогена; 2. гликолиз до образования пирувата, у которого также несколько путей использования; 3. поступать на ПФП и превращаться в рибозо-5-фосфат. Пируват образуется в результате гликолиза, или в ходе превращения липидов, а также из аланина (реакцией переаминирования). Превращается 1. в лактат; 2. в аланин (синтез белка); 3. в оксалоацетат (глюконеогенез); 4. в ацетил КоА (ЦТК). Ацетил-КоА образуется из пирувата (а, следовательно, аланина, глицерола) и ЖК. Поступает: 1. в ЦТК; 2. используется при бетта-окислении ЖК. Общие механизмы регуляции обменных процессов Скорость метаболических превращений зависит в большинстве случаев от концентрации и активности лимитирующих ферменов. Они еще называются регуляторными и катализируют обычно необратимые реакции. Активность таких ферментов как правило регулируется концентрацией одного из последующих продуктов или конечного продукта данного метаболического пути. Так при накоплении АТФ угнетается активность фосфофруктокиназы – ключевого фермента гликолиза, т.е. клетке на данный момент достаточно макроэргов. Активируется этот фермент при накоплении АДФ и АМФ. Активность ферментов в свою очередь напрямую зависит от концентрации коферментов (витаминов) и кофакторов (минеральных веществ). Так дефицит витамина В1 (ТДФ) тормозит реакции окислительного декарбоксилирования альфа-кетокислот. При этом замедляются отдельные этапы гликолиза, ЦТК, тормозится окисление ЖК, химическое превращение АК и синтез белка, возникает дефицит НАДФН, который образуется в пентозофосфатном шунте. Снижение концентрации общих метаболитов сказывается на уровне обменных процессов во всей клетке. В то же время, уровень таких метаболитов может восполняться за счет различных биохимических реакций. Т.о. три вышеописанных элемента, составляющих общую цель метаболизма, объединены общими механизмами регуляции: 1/) 2/) 3/) 4/) 5/) 1) наличием общих лимитирующих реакций и ферментов; 2) аллостерическим характером регуляции ключевых ферментов; 3) принципиально одинаковым механизмом гормональной регуляции; 4) наличием общих метаболитов; 5) возможностью быстрого переключения с одного метаболического пути на другой, за счет наличия общих метаболитов. Гормональная регуляция обмена веществ Тесная взаимосвязь обменов, а именно углеводного, липидного и белкового на уровне всего организма обеспечивается четкой регуляцией со стороны эндокринной системы. Поэтому многие гормоны стоят на пересечении этих трех обменов. Инсулин – снижает уровень сахара в крови. Углеводный обмен: 1) активирует транспорт глюкозы через клеточную мембрану; 2) ускоряет окислительный распад глюкозы (активирует ферменты ЦТК); 3) ускоряет гликогеногенез в печени и мышцах; 4) тормозит гликогенолиз и глюконеогенез. Липидный обмен: 1/) 1) ускоряет липогенез из продуктов распада сахаров; 2/) 2) замедляет липолиз. Белковый обмен: 1/) 1) ускоряет протеиногенез из продуктов распада сахаров. Панкреатический глюкагон – увеличивает содержание сахара в крови. Углеводный обмен: 1/) 1) ускоряет распад гликогена и глюконеогенез в печени; 2/) 2) ограничивает активность гликогенсинтетазы под действием инсулина (прямой антагонист). Белковый обмен: 1/) 1) тормозит синтез белка; 2/) 2) ускоряет протеолиз; 3) уменьшает использование глюкозы в процессе синтеза АК. Адреналин – повышает уровень сахара в крови. Активирует гликогенолиз. Патологии обмена веществ В основе патогенеза всех патологических состояний лежат первичные нарушения на уровне межмолекулярных взаимодействий. Поэтому имеет смысл начать рассмотрение патологий обменных процессов с молекулярных нарушений. Молекулярные патологии обменов или энзимопатии чаще всего представляют собой наследственные нарушения транспортной системы мембран, либо синтеза отдельных ферментов. В практической медицине и ветеринарии их диагностируют достаточно редко, но они представляют интерес с точки зрения клинической и патологической биохимии, поскольку подобные механизмы лежат в основе многих патофизиологических процессов, где требуется коррекция на молекулярном уровне. В клинической практике молекулярные нарушения обменов находят проявление в виде увеличения или снижения концентрации в биологических жидкостях (обычно крови или моче) тех или иных компонентов обмена. Это могут быть промежуточные продукты или конечные метаболиты. Именно по изменению их концентраций и наличию характерных клинических признаков судят о нарушениях на том или ином участке метаболического пути. Нарушения углеводного обмена Молекулярные нарушения углеводного обмена Молекулярные нарушения связаны с врожденной недостаточностью ферментов. К ним относятся врожденная недостаточность лактазы, сахаразы и пр. ферментов, расщепляющих дисахариды до моносахаридов, в связи с чем последние не могут всасываться в кровь и выводятся из организма с калом. Галактоземия – нарушение распада галактозы в печени из-за недостатка галактозо-1-фосфата. Характеризуется повышенным содержанием галактозы в крови – галактоземией и в моче – галактозурией. Эссенциальная фруктозурия – связана с недостаточностью фосфофруктокиназы, которая катализирует фосфорилирование фруктозы. Проявляется фруктозонемией и фруктозоурией. Ряд подобных нарушений обусловлены наследственной недостаточностью того или иного фермента и проявляются накоплением субстратов этого фермента в крови и моче, а также снижением концентрации последующих и конечных продуктов углеводного обмена. Основным клиническим биохимическим показателем нарушений углеводного обмена является изменение концентрации в крови глюкозы. Гипергликемия – увеличение содержания глюкозы в крови. Может носить физиологический характер в случае приема богатой углеводами пищи (алиментарная гипогликемия) или в результате одномоментной физической нагрузки: адреналин, глюкокортикостероиды и катехоламины усиливают глюконеогенез и распад гликогена. Физиологические гипергликемии носят кратковременный характер. Патологические типы гипергликемий обусловлены эндокринными расстройствами, в частности нарушением оптимального соотношения между секрецией гормонов гипер- и гипогликемического действия. Наиболее распространенная форма патологической гипергликемии – сахарный диабет, обусловленный дефицитом инсулина. В норме продукцию инсулина секреторными клетками поджелудочной железы стимулирует глюкоза, лейцин и глутаминовая кислота, кетоновые тела и некоторые жирные кислоты. Дефицит инсулина может быть обусловлен генетическими нарушениями синтеза этого гормона или заболеваниями поджелудочной железы (панкреатит, панкреонекроз) – вторичный диабет. При дефиците инсулина развивается гипергликемия, которая вызвана нарушением транспорта глюкозы в клетки. Кроме того, дефицит инсулина приводит к стимуляции глюконеогенеза и гликогенолиза. Глюкозурия (глюкоза в моче) связана с нарушением инсулинзависимой реабсорбции глюкозы. Кетонемия и кетонурия обусловлены тем, что дефицит глюкозы в клетках активирует окисление жирных кислот где образуется большое количество ацетил-КоА. Он не может быть полностью использован в ЦТК и часть его идет на синтез кетоновых тел. Накопление их в крови приводит к кетоацидозу, т.е. к смещению кислотно-основного состояния организма в кислую сторону. Помимо сахарного диабета гипергликемии могут быть обусловлены повышенной секрецией соматотропного гормона и АГКТ, катехоламинов и глюкокортикоидов как результат заболеваний гипоталамуса и надпочечников. Гипогликемия может носить физиологический характер вслед за алиментарной гипергликемией как результат компенсаторного выброса инсулина. Патологическая гипогликемия может быть результатом: 1/) 1) гиперинсулинемии; 2/) 2) недостаточностью ферментов расщепляющих дисахариды в кишечнике; 3/) 3) заболеваний печени с торможением гликогенобразования глюконеогенеза; 4/) 4) дефицита глюкокортикоидов; 5/) 5) гипоксии. и Стоит остановиться на особенностях обмена глюкозы в клетках при гипоксии: 1/) 1) при дефиците кислорода в клетках метаболизм становится анаэробным, что приводит к накоплению молочной кислоты; 2/) 2) для обеспечения клетки энергией активируется гликолиз, что приводит к накоплению лактата, в меньшей степени пирувата и дефициту в крови глюкозы; 3/) 3) дефицит кислорода, как конечного акцептора ЭТЦ и пирувата, как основного субстрата ЦТК замедляет активность работы этих участков метаболизма глюкозы, что приводит к резкому снижению в клетках концентрации АТФ; 4/) 4) далее развиваются патологические процессы общего характера (прекращение работы K+-Na+-насоса, активация процессов ПОЛ) и пр. Таким образом, этиология гипер- и гипогликемий может носить физиологический так и патологический характер, а патогенез обязательно включает как нейроэндокринные, так и молекулярные нарушения, где последние чаще всего носят наследственный характер. Нарушения липидного обмена Связаны в первую очередь с нарушениями их переваривания и всасывания. Обязательный признак всех нарушений – стеанорея, появление в кале липидов. В зависимости от этиологии различают три группы стеанорей: 1/) 1) панкреатогенная стеанорея обусловлена дефицитом панкреатической липазы. Это приводит к снижению интенсивности процессов гидролитического расщепления в кишечнике триацилглицеридов до глицерина и ЖК. Наблюдается обычно при панкреатинах, гипоплазии поджелудочной железы, наследственном дефиците липазы; 2/) 2) гепатогенная стеанорея связана с нарушением поступления желчи в 12перстную кишку. В связи с этим жиры не эмульгируются и намного хуже подвергаются гидролизу липазой. Наблюдается при закупорке или сужении желчных путей, гепатитах и циррозе. Помимо стеанореи в кале отсутствуют желчные пигменты; 3/) 3) энтерогенная стеанорея обусловлена снижением метаболической активности слизистой оболочки тонкого отдела, где происходит синтез собственных липидов организма. Наблюдается при наследственном дефиците ферментов синтеза липидов, воспалении слизистой оболочки и обширной резекции тонкого отдела кишечника. Всосавшиеся в слизистую оболочку липиды транспортируются по крови и лимфе в составе липопротеидного комплекса. Повышенное содержание липопротеинов – гиперлипопротеинемия, пониженное – гипопротеинемия. Гиперлипопротеинемии обусловлены замедленным распадом липопротеидного комплекса (недостаточность фермента липопротеинлипазы) или как следствие гиперинсулинизма, индуцирующего в печени усиленный синтез триглицеридов из углеводов. Гиперлипопротеинемия в комплексе с гиперхолестеролемией (повышенное содержание в крови холестерола) являетются главной причиной атеросклероза. Напомним, что холестерол – важнейшая составная часть клеточных мембран и липопротеинов. По химическому строению это одноатомный циклический мононенасыщенный спирт, производное циклопентанпергидрофенантрена. Используется для биосинтеза стероидных гормонов, желчных кислот и предшественника витамина Д3. Поступающий с пищей холестерол в клетках слизистой подвергается этерификации при участии фермента холестеринэстеразы. Далее он поступает в лимфу, где связывается с липопротеинами очень низкой плотности (ЛПОНП) и входит в состав хиломикронов, а в крови в состав липопротеинов низкой плотности (ЛПНП) и также хиломикронов Гиперхолистеролемии связаны прежде всего с нарушением желчегенеза и транспорта холестерола липопротеидами, а именно отсутствие (или исчезновение) у клеток рецепторов на ЛПНП. Результатом этого является развитие холестериозов. 1/) 1) неосложненный (физиологичекая старость) накопление холестерола в плазматических мембранах клеток в связи с уменьшением стероидогенеза; 2/) 2) осложненный (атеросклероз) – отложение холестерола в стенках артерий. Предпосылкой являются повреждения эндотелия сосудов в результате воспалений, повышенной свертываемости крови, гипертонии, воздействия токсинов. Холестерол и липопротеины проникают в клетки эндотелия сосудов, что провоцирует еще больший их поток в клетки. В них есть ферментная система этерификации холестерола, но не системы его разрушения. Поэтому эфиры холестерола накапливаются в большом количестве в клетках эндотелия и в межклеточном пространстве. Где инкапсулируются за счет разрастания соединительной ткани. Так образуются атеросклеротические бляшки. Гиполипопротеинемии могут быть связаны с 1/) 1) нарушением переваривания, всасывания жиров в тонком отделе кишечника, как результат дефицита липазы и нарушениями образования и поступления желчи; 2/) 2) гипертиреозом, который приводит к повышению катаболизма сывороточных липидов; 3/) 3) генетическим нарушением синтеза липопротеинов и хиломикронов. Нарушения обмена белков Нарушения переваривания и всасывания: 1/) 1) Дефицит пепсина может возникать при частичной резекции желудка за счет уменьшения секреции пепсиногена главными клетками слизистой (их количество сокращено), кроме того, при пониженной кислотности (низкое содержание соляной кислоты) пепсиноген плохо активируется до пепсина. В результате этого белки не полностью расщепляются до пептидов и вся нагрузка по их дальнейшему перевариванию ложится на тонкий отдел кишечника. 2/) 2) Дефицит трипсина, энтеропептидазы, карбоксипептидазы может быть как результат смещения рН в более кислую сторону, патологии панкреаса или нарушение секреции желудком гормона гастрина, который контролирует секрецию ферментов панкреаса. В результате негидролизованные белки и пептиды не могут всосаться в стенки кишечника и поступают в тонкий отдел, где подвергаются массовому гниению. При этом происходит аутоинтоксикация организма на фоне низкого содержания в крови аминокислот. 3/) 3) Нарушение работы гамма-глутамильного цикла всасывания аминокислот из-за дефицита любого фермента, катализирующего эти реакции. Молекулярные нарушения обмена аминокислот Обычно имеют наследственный характер, при этом аминокислоты и их метаболиты оказывают токсический эффект на организм. В первую очередь это выражается в виде расстройства деятельности центральной нервной системы (ЦНС). Гипераминоацидемии – повышенное содержание в крови отдельных аминокислот и аминоацидурии – обнаружение в моче аминокислот обусловлены дефектом ферментов обмена аминокислот (первичные аминоацидурии) . Типичный пример: фенилкетонурия – нарушение обмена фенилаланина, как результат дефекта фенилаланингидроксилазы. Фенилаланин при этом не вовлекается в окислительновосстановительный распад и накапливается в большом количестве в крови. Часто превращается в фенилпируват, фениллактат, и фенилацетат, которые можно обнаружить в моче. Подобным образом проявляется и нарушение обмена триптофана (в моче индолацетат, индоллактат, индолпируват), метионина, цистеина, тирозина и рядя других аминокислот. Вторичные аминоацидурии связанные с нарушением канальциевого транспорта аминокислот в почках. Нарушение обмена пуриновых и пиримидиновых оснований Проявляются нарушением содержания в крови мочевой кислоты (конечного продукта пуринового обмена) гиперурикемия. Типичное заболевание, связанное с гиперурикемией, – подагра – кристаллизация мочевой кислоты в мезенхимальных тканях и синоваильной жидкости. Известны два энзимдефекта, приводящие к урикемии, а также снижению содержания в крови уратсвязывающего белка. Нарушение приримидинового обмена проявляется в виде оротатцидурии: повышенном выделении с мочой оротовой кислоты. Причина – дефицит дегидрогеназы, катализирующей две последние стадии синтеза УТФ. Недостаток УТФ приводит к отставанию в физическом и умственном развитии. Нарушение обмена гемоглобина относятся либо к белковому компоненту, либо к гему. Гемоглобинопатии – аномалии, связанные с нарушением механизма синтеза белкового компонента гемоглобина при нормальной структуре гема. Выявлено более 15 видов аномальных молекул гемоглобина, где в альфа- или бета-цепи произошла замена одной из АК. Известно несколько видов мутантных гемоглобинов, где произошла замена остатка гистидина, который связывает железо гема с белковой частью молекулы, на другие АК. Получаются так называемые М-гемоглобины, которые не способны транспортировать кислород. Порфирии – нарушения отдельных этапов синтеза гема ведут к накоплению в организме отдельных порфиринов или их предшественников. Они легко откладываются в коже, что приводит к фотосенсибилизации. Нарушения, связанные с распадом гемоглобина проявляются в виде билирубинемий – повышении содержания в крови билирубина. Клинически это может проявляться в виде желтушности кожи и слизистых оболочек. Билирубинемии развиваются как результат нарушений извлечения билирубина из крови, его связывания и выделения при заболеваниях печени. Нарушение биосинтеза мочевины Может проявляться в виде недостаточности карбомоилфосфатсинтетазы, катализирующей включение аммиака в орнитиновый цикл. Кроме того, известны случае дефицита всех остальных ферментов цикла мочевины, а поскольку аммиак является ядовитым веществом, то нарушения синтеза мочевины проявляется в виде расстройств нервной системы или развития комы.
