След работа с този раздел студентите ще могат да постигнат следните учебни цели: А. Знания
Изтегляне 0.6 Mb.
|
- Навигация на страницата:
- 1) Глицеролфосфатна совалка
- 2) Малатна совалкова система
- 1) При разграждане на 1 молекула глюкоза до две молекули пируват
- Реакция Теоретични стойности Коригирани стойности
- 2) При разграждане на глюкоза до СО 2 и Н 2 О
- Особености на гликолизата в еритроцити
- Ефект на Пастьор
Фиг. 6-3. Сумарна реакция и енергетична равносметка при разграждане на глюкоза до лактат в отсъствие на кислород. КПД - коефициент на полезно действие. Коефициентът на полезно действие (КПД) е около 31 %. Т.е. 31 % от енергията, отделена при окисление на глюкоза при стандартни биохимични условия в отсъствие на кислород, е съхранена под форма на АТФ. 6.1.5 Връзки между гликолиза и дихателни вериги - совалкови системи за пренос на водород от цитоплазмата към митохондриите Вътрешната митохондриална мембрана е непропусклива за НАДН и НАДФН. Затова водородът от тези две редокссистеми се пренася посредством совалкови системи (фиг. 6-4 и фиг. 6-5). Те се състоят от цитозолна и митохондрийна форма на специфична дехидрогеназа и двойка съединения - окислено (с кето-група) и редуцирано (с - ОН група). Известни са два вида совалкови системи за пренос на водород: 1) Глицеролфосфатна совалка (фиг. 6-4)
Цитоплазменият изоензим катализира редукцията на ДХАФ от НАДН. Получава се глицеролфосфат, който минава през външната митохондрийна мембрана и достига до разположената във вътрешната мембрана глицеролфосфат дехидрогеназа. Този изоензим е един от свързаните с дихателната верига флавопротеини. Има за кофактор ФАД и катализира обратната реакция - дехидрогениране на глицеролфосфат до ДХАФ. Едновременно с това ФАД се редуцира до ФАДН2. Така водородните атоми попадат в дихателната верига, където се получават теоретично 2 мола АТФ за всеки два внесени атома Н, а според Hinkle 1.5 мола АТФ (виж т. 5.4.5). ДХАФ се връща обратно в цитоплазмата. Тази совалка функционира в скелетни мускули и мозък. 2) Малатна совалкова система (фиг. 6-5). Функционира в сърдечен мускул, черен дроб, мастна тъкан. Състои се от: а) два изоензима на малат дехидрогеназа (МД): цитоплазмен и митохондриен. И двата действат с коензим НАД. б) оксалацетат (окислено съединение с кето група) в) малат (редуцирано съединение с -ОН група) г) допълнителни компоненти - (митохондрийна и цитоплазмена трансаминази и мембраннно разположени транслокази за малат и аспартат) 
Фиг. 6-5. Малатна совалка за пренос на водород от цитоплазмата в митохондриите. Цитоплазмената малатдехидрогеназа катализира редукцията на оксалацетат от НАДН до малат. Малатът (с помощта на малат транслоказа) минава през митохондрийната мембрана. Митохондрийната малатдехидрогеназа катализира обратната реакция - окисление на малат до оксалацетат. Водородът се поема от НАД+, който се редуцира. Редуцираният митохондриен НАД предава водорода в дихателните вериги, където се получават теоретично 3 мола АТФ за всеки 2 внесени водородни атоми, а според Hinkle корегираната стойност е 2.5 мола АТФ (виж т. 5.4.5). Оксалацетатът не може директно да излезе през мембраната, затова се превръща (чрез трансаминиране) в аспартат, който с помощта на аспартат транслоказа излиза в цитоплазмата, където пак чрез трансаминиране се превръща в оксалацетат. 6.1.6 Енергетичен добив при разграждане на глюкоза до СО2 и Н2О в гликолиза и цитратен цикъл в аеробни условия 1) При разграждане на 1 молекула глюкоза до две молекули пируват В табл. 6-2 е дадена енергетичната равносметка при аеробна гликолиза. С отрицателен знак е даден броя на молекулите АТФ, разградени за началното активиране на глюкозата в хексокиназната и фофсфофруктокиназната реакции. С положителен знак са означени молекулите АТФ, получени в глицераткиназната и пируваткиназната реакции. От всяка молекула глюкоза се получават 2 молекули триози. Ако се използва малатната совалка в дихателната верига теоретично се получават 3, а чрез глицеролфосфатната совалка 2 молекули АТФ за всеки два внесени водородни атоми. Съгласно корекциите на Нinkle [2] (т. 5.4.5) чрез малатната совалка ще се получат 5, а не 6 мола АТФ. Корегираната стойност за глицеролфосфатната совалка е 3 мола АТФ вместо 4. Сумарно при разграждане на глюкоза до пируват в присъствие на кислород теоретично се получават 8(6) или по Hinkle 7(5) мола АТФ/мол глюкоза в зависимост от използваната совалка. Табл. 6-2. Теоретични и корегирани по Hinkle [2] стойности за броя на молекулите АТФ, които се изразходват или получават при аеробно разграждане на 1 молекула глюкоза до пируват.
2) При разграждане на глюкоза до СО2 и Н2О От всяка глюкозна молекула се получават 2 молекули ацетил-КоА. За всяка молекула ацетил-КоА в цитратния цикъл и свързаните с него дихателни верги се получават 12 молекули АТФ. В табл. 6-3 е дадена енергетичната равносметка при пълното аеробно разграждане на глюкоза в гликолизата и цитратния цикъл.
6.1.7 Тъканна специфичност Мускулите използват както анаеробна, така и аеробна гликолиза, участвайки активно и в цикъла на Кори (виж. т. 6.6.3). Еритроцитите нямат митохондрии - те доставят необходимата енергия само чрез анаеробна гликолиза. В сърдечен мускул и в мозък пируват се декарбоксилира окислително до ацетил-КоА, който постъпва в цитратния цикъл. Туморните клетки натрупват значителни количества лактат дори при наличие на кислород. Вероятно при тях не работи нормално глицеролфосфатната совалка и цитоплазменият НАДН не предава водород в митохондриите. Особености на гликолизата в еритроцити В глицераткиназната реакция 1,3-бисфосфоглицерат се превръща в 3-фосфоглицерат, съпроводено със синтеза на АТФ. В еритроцитите 1,3-бисфосфоглицерат може да се превръща в 3-фосфоглицерат и чрез едно отклонение от гликолизата (фиг. 6-6) под действие на два допълнителни ензима: 2, 3-бисфосфоглицерат мутаза и 2, 3-бисфосфоглицерат фосфатаза. Като междинно съединение се получава 2,3-бисфосфоглицерат (2,3-БФГ).
Както се вижда от фиг. 6-6, 2,3-бисфосфоглицерат e необходим за действието на фосфоглицерат мутазата (Е). Повечето клетки съдържат 2,3-бисфосфоглицерат в минимални (каталитични) количества като кофактор на фосфоглицерат мутазата. Но червените кръвни клетки са специален случай. В тях 2,3-бисфосфоглицерат се натрупва във високи концентрации и функционира като физиологично важен алостеричен ефектор върху свързването на кислород с хемоглобин. От 15 до 25 % от глюкозата, превърната в лактат в еритроцитите, минава по този БФГ-шънт. При това АТФ не се получава. Неполучаването на АТФ при превръщането на 1,3-бисфосфоглицерат в 3-фосфоглицерат в еритроцити е предимство, тъй като това осигурява протичане на гликолизата дори при минимални изисквания за АТФ. Образуването на 2,3-бисфосфоглицерат във високи концентрации улеснява отдаването на кислород от хемоглобина, тъй като 2,3-бисфосфоглицерат се свързва с хемоглобина, измества оксихемоглобиновата дисоциационна крива надясно и с това снижава афинитета на Hb към кислород (виж също т. 2.3.2.2 и 2.3.2.3). Наследствени дефекти в гликолитични ензими променят афинитета на Hb към кислород (фиг. 6-7). При недостатъчност на хексокиназа, катализираща първата реакция в гликолизата, концентрациите на всички гликолитични метаболити са ниски, вкл. и на 2,3-БФГ. Това води до увеличен афинитет на Hb към кислорода - крива 1 на фиг. 6-7. При недостатъчност на пируват киназа, катализираща последната реакция в гликолиза, натрупването на гликолитични метаболити води до увеличение на 2,3-БФГ, и следователно до намален афинитет на Hb към кислород (крива 3 на фиг. 6-7).
6.1.8 Регулация на гликолиза В зависимост от променящите се условия в клетките, скоростта на гликолиза се променя. Отделните реакции, с изключение на три, са обратими. Необратимите реакции имат значение за регулацията на гликолизата. Това са реакциите, катализирани от хексокиназата, фосфофруктокиназа и пируват киназа (фиг. 6-8). Трябва да се има предвид, че когато източник на глюкозо-6-фосфат е гликоген, а не глюкоза, хексокиназата не е необходима. Хексокиназата участва и в други обменни пътища. Пируват киназата пък катализира последната реакция и очевидно не може да повлиява цялостно гликолизата. Така че с най-голямо значение е първият специфичен за гликолизата ензим - фосфофруктокиназата. Тя е главният регулаторен ензим.
Фосфофруктокиназата е тетрамерен ензим с две конформационни състояния: R и Т, които са в равновесие. АТФ е едновременно субстрат и алостеричен инхибитор на фосфофруктокиназата. Всяка субединица има две свързващи места за АТФ - субстратно и инхибиторно. Субстратното място свързва АТФ еднакво добре и в двете конформационни състояния. Инхибиторното място свързва АТФ предимно в Т-състоянието. Другият субстрат фруктозо-6-фосфат се свързва с предпочитание към R-състоянието. При високи концентрации на АТФ, той се свързва към Т-състоянието, измествайки равновесието към Т-състоянието. Така се намалява афинитета кам фруктозо-6-фосфат (подобно на действието на 2,3-бисфоглицерат да понижи афинитета на хемоглобин към кислород). При ниски концентрации на АТФ гликолизата се усилва и се синтезира АТФ. Интересно е, че концентрацията на АТФ in vivo варира само около 10 % в покой и при усилена работа, тъй като АТФ се попълва от аденилат киназната и креатин киназната реакция: аденилат киназа
креатин киназа креатин фосфат + АДФ<====> креатин + АТФ Метаболитният поток през гликолизата обаче може да се променя стократно. Това показва, че освен алостеричното повлияване на фосфофруктокиназата от АТФ, има и друг механизъм. АДФ, АМФ и фруктозо-2,6-бисфосфат снемат инхибиторния ефект на АТФ. Те са активатори на ензима. Друг мощен алостеричен активатор на ензима е фруктозо-2,6-бисфосфат (виж също т. 6.2.4). Цитратът, когато е в излишък, действа като алостеричен инхибитор на фосфофруктокиназата - блокира гликолизата. Фруктозо-1,6-бисфосфат е алостеричен активатор на пируват киназата, а АТФ и аланин са алостерични инхибитори за същия ензим. Фруктозо-1,6-бисфосфат е алостеричен активатор на пируват киназата, а АТФ и аланин са алостерични инхибитори за същия ензим. Ефект на Пастьор Ефектът на Пастьор е характерен за клетки, които могат да разграждат глюкозата както еиробно, така и анаеробно. При въвеждане на кислород към клетъчната суспенсия се наблюдава намалено използване на глюкоза. Спира образуването на лактат. Обяснява се с: 1) алостерично инхибиране на фосфофруктокиназата от цитрат и АТФ - когато има кислород работят цитратният цикъл и дихателните вериги. 2) по-голям афинитет на глицеролфосфатната совалка към цитоплазмения НАДН в сравнение с лактат дехидрогеназата. 6.1.9 Връзки с цитратния цикъл Както вече бе показано на фиг. 5-32 в т. 5.6.7, пируват може да се превръща в три различни метаболита: 1) ацетил-КоА чрез окислително декарбоксилиране; 2) оксалацетат чрез лигазно карбоксилиране; 3) малат чрез редуктивно карбоксилиране. Чрез тези три реакции се осъществяват връзки между гликолизата и цитратния цикъл. Първата осигурява субстрат за цитратния цикъл. Втората е попълваща (анаплеротична реакция, осигуряваща при необходимост достатъчно оксалацетат за цикъла. Третата реакция има подобна роля. Увеличаването на концентрациите на оксалацетат и малат при необходимост позволява повишаване интензитета на цитратния цикъл. 6.1.10 Приложение на познанията в медицината 6.1.10.1 Лактатна ацидоза Лактатната ацидоза е най-често срещаната форма на метаболитна ацидоза. Характерно е увеличено ниво на лактат в кръвта, обикновено над 5 мМ, едновременно с намалено рН на кръвта и намалена концентрация на бикарбоната. Може да е следствие от свръхпродукция от лактат, или намалено използване на лактат, или и двете. Обикновено продукцията на лактат се балансира с изразходването му, така че лактатът в кръвта в норма не надвишава 1.2 mmol/L. Всички тъкани могат да образуват лактат чрез анаеробна гликолиза. Повечето от тях обаче не образуват лактат в големи количества, защото много повече АТФ се получава при пълното аеробно окисление на пируват. Всички тъкани отговарят с увеличение на лактат при недостиг на кислород. Намалението на АТФ поради намалено окислително фосфорилиране в дихателната верига води до увеличение на фосфофруктокиназната реакция и анаеробната гликолиза се усилва. Лактатна ацидоза се получава при усилена мускулна работа, при всички форми на шок, при конвулсии и всички болести, предизикващи нарушения в кръвообръщението и белодробната функция. Обикновено се дава бикарбонат за контролиране на ацидозата, но съществено е да се установи и елиминира причината за свръхпроизводство и/или намаленото използване на лактат. 6.1.10.2 Хемолитична анемия, предизвикана от недостатъчност на пируват киназа Зрелите еритроцити получават АТФ единствено при протичане на гликолизата. АТФ е необходим за йонните помпи, особено за Na, K -АТФаза, поддържаща биконкавната форма на еритроцитите, която позволява те да се плъзгат през капилярите при доставяне на кислород в тъканите. Без АТФ клетките набъбват и настъпва лизис. Анемията, дължаща се на това усилено разграждане на еритроцити, се нарича хемолитична анемия. При намалена активност на пируват киназата до 5-25 % от нормалната [4], протичането на гликолизата е силно затруднено и това води до значимо снижение в концентрацията на АТФ. Натрупват се метаболити, предхождащи пируваткиназната реакция, а концентрацията на пируват и лактат намаляват. За разлика от зрелите еритроцити, в ретикулоцити (незрели еритроцити) са установени нормални нива на АТФ в пациенти с това заболяване. Въпреки, че са дефицитни на пируват киназа, тези незрели червени клетки имат митохондрии и могат да генерират АТФ чрез окислително фосфорилиране. Превръщането на ретикулоцитите в зрели еритроцити води до загуба на митохондриите и до пълната им зависимост от гликолизата за производство на АТФ. Тъй като гликолизата не може да протича нормално, зрелите клетки бързо излизат от кръвообръщението. Възниква анемия, защото еритроцитите не могат бързо да бъдат заместени от нови чрез еритропоеза. 6.2 Глюконеогенеза 6.2.1 Резюме Глюконеогенезата е път за синтеза на глюкоза от невъглехидратни източници, които първо се превръщат в оксалацетат. Протича в черния дроб и в по-слаба степен в бъбреци. Включва се, когато храната не съдържа глюкоза и са изчерпани запасите от гликоген в черния дроб. Глюконеогенезата ползва обратимите реакции на гликолиза. За заобикаляне на трите необратими екзергонични реакции на гликолизата има допълнителни, специфични за глюконеогенезата ензими.
Глюконеогенезата се регулира от промени в ензимната синтеза и чрез алостерични ефектори. Фруктозо-2,6-бисфосфат (Ф-2,6-БФ) инхибира фруктозо-1,6-бисфосфатазата и активира фосфофруктокиназата. Синтезата на (Ф-2,6-БФ) зависи от фосфорилирането на бифункционалния ензим фосфофруктокиназа-2/фруктозо бисфосфатаза-2. 6.2.2 Общ поглед и значение Глюконеогенезата е път, в който се синтезира глюкоза от невъглехидратни предшественици (лактат, пируват, метаболити от цитратния цикъл и въглеродните скелети на аминокиселините с изключение на левцин и лизин. Всички тези предшественици първо трябва да се превърнат в оксалацетат. Ацетил-КоА, получаващ се при разграждане на лизин и левцин, а също и в други катаболитни пътища, не може да се превърне в оксалацетат в животните и човека. Глюконеогенезата действа в черния дроб и в по-малка степен в бъбреците. Включва се, когато храната не съдържа глюкоза и са изчерпани запасите от гликоген в черния дроб. Глюконеогенезата е път, обратен на гликолизата. Всички обратими реакции от гликолизата са част от глюконеогенеза в обратна посока на тази в гликолизата. Само трите необратими реакции в гликолизата, при които Go' има високи отрицателни стойности, се заместват от реакции, които правят синтезата на глюкоза термодинамично възможна. Тези специфични за глюконеогенезата реакции се катализират от следните ензими: пируват карбоксилаза и фосфоенолпируват карбоксикиназа вместо пируват киназа, фруктозо-1,6-бисфосфатаза вместо фосфофруктокиназа и глюкозо-6-фосфатаза вместо хексокиназа. 6.2.3 Преодоляване на необратимата гликолитична реакция от пируват до фосфоенолпируват Както бе показано в т. 5.3.4 и 6.1.3.3 пируваткиназната реакция, в която фосфоенолппируват (ФЕП) се превръща в пируват, е силно екзергонична и необратима. За да протече реакцията в обратна посока от пируват към ФЕП, са необходими: 1) енергия под форма на митохондриен АТФ и цитоплазмен ГТФ; 2) два ензима: пируват карбоксилаза и ФЕП карбоксикиназа; 3) метаболитен транспорт между митохондриите и цитоплазмата. Цялостният процес на превръщането на пируват във фосфоенолпируват е показан на фиг. 6-9. 
Фиг. 6-9. Превръщане на цитоплазмения пируват в цитоплазмен фосфоенолпируват с помощта на митохондрийни ензими и транспортьори. Пируват карбоксилазата е вътрешно-митохондриен ензим, а ФЕП карбоксикиназата се намира и в митохондриите (син цвят), и в цитозола (червен цвят). Оксалацетат се превръща във фосфоенолпируват чрез декарбоксилиране и фосфорилиране с ГТФ. Оксалацетат излиза от митохондриите под форма на малат или аспартат, които в цитоплазмата се превръщат обратно в оксалацетат. Показани са разположените по вътрешната митохондрийна мембрана преносители за пируват, ФЕП, малат и аспартат. Пируват карбоксилазата е локализирана само в митохондриите. Това налага постъпването на цитоплазмения пируват в митохондриите посредством специален преносител. Там пируватът се подлага на лигазно карбоксилиране до оксалацетат. От химична гледна точка превръщането на оксалацетат във ФЕП се свежда до декарбоксилиране и едновременно фосфорилиране с ГТФ като донатор на фосфатната група. В зависимост от локализацията на ФЕП карбоксикиназата полученият в митохондриите оксалацетат има различни възможности за превръщане в цитоплазмен ФЕП: 1) В някои видове ФЕП карбоксикиназата е вътрешно митохондриен ензим, който превръща оксалацетат в ФЕП. Специален преносител изнася ФЕП в цитоплазмата. 2) В други видове ФЕП карбоксикиназа е цитозолен ензим, а мембраната е непропусклива за оксалацетат и в двете посоки. В такъв случай оксалацетатът трябва да бъде изнесен от митохондриите в цитоплазмата. Това може да стане по два начина: а) чрез редукция до малат (представена в червен цвят на фиг. 6-09), или
Цитоплазменият оксалацетат се декарбоксилира и едновременно фосфорилира с ГТФ до фосфоенолпируват под действие на ФЕП карбоксикиназа. В човека ФЕП карбоксикиназата е равномерно разпределена между митохондриите и цитозола. На фиг. 6-10 е детайлизирано карбоксилирането на пируват до оксалацетат. Пируват карбоксилазата е тетрамер. Всяка от четирите субединици съдържа биотин (витамин Н) като простетична група. Неговата странична верига е свързана чрез ковалентна пептидна връзка към лизилов остатък от ензима (фиг. 6-10). По този начин биотиновият пръстен е в края на дълга, гъвкава "ръка", която го пренася между двата активни центра на ензима. Първоначално с участието на АТФ и бикарбонат се получава активен СО2, който се свързва към биотинил-ензима. Получава се карбоксибиотинил-ензим. След това карбоксибиотинил-ензим пренася СО2 върху пируват, при което се получава оксалацетат. 
Каталог: docs -> biohimia biohimia -> След работа с този раздел студентите ще могат да постигнат следните учебни цели: А. Знания biohimia -> Белтъци Цели Цели на преподавателя biohimia -> Захарен диабет Цели Цели на преподавателя biohimia -> След работа с този раздел студентите ще могат да постигнат следните учебни цели: А. Знания biohimia -> Ензими Цели Цели на преподавателя biohimia -> След работа с този раздел студентите ще могат да постигнат следните учебни цели: А. Знания biohimia -> Биоенергетика Цели Цели на преподавателя biohimia -> След работа с този раздел студентите ще могат да постигнат следните учебни цели: А. Знания biohimia -> След работа с този раздел студентите ще могат да постигнат следните учебни цели: А. Знания Изтегляне 0.6 Mb. Сподели с приятели:
|
