След работа с този раздел студентите ще могат да постигнат следните учебни цели: А. Знания



страница1/5
Дата21.08.2017
Размер0.6 Mb.
#28440
  1   2   3   4   5
Обмяна на въглехидрати
Цели

Цели на преподавателя:

Да се разгледат метаболитните пътища във въглехидратната обмяна и да се дадат примери за


заболявания, произтичащи от дефекти в тази обмяна.

След работа с този раздел студентите ще могат да постигнат следните учебни цели:

А. Знания

1. Да дадат определение и примери за значението на всеки от пътищата във въглехидратната обмяна: гликолиза, глюконеогенеза, пентозо-фосфатен път, синтеза и разграждане на гликоген, обмяна на галактоза и обмяна на фруктоза;

2. За всеки от споменатите пътища да пишат с формули химичните реакции и да посочат ензимите, които ги катализират
3. Да изброят видовете совалки за пренос на водород и да опишат съставните им компоненти;

4. Да посочат кои са необратимите стъпала в гликолитичната верига и в глюконеогенезата;

5. Да посочат кои са регулаторните ензими за гликолиза и глюконеогенеза;

6. Да посочат общите метаболити за гликолиза и пентозофосфатен цикъл;



Б. Разбирания

1. Да обяснят защо гликолизата може да протича в анаеробни условия;

2. Да обяснят как се осигурява окислен НАД за окислителното фосфорилиране на глицералдехид-3-фосфат в гликолизата;

3. Да сравнят и обяснят приликите и разликите между окислителното фосфорилиране на глицералдехид-3-фосфат и енолазната реакция в гликолизата;

4. Да обяснят ролята на окислителното декарбоксилиране на -кетокиселини за въглехидратната обмяна;

5. Да обяснят действието и значението на малатната и глицерол-фосфатната совалкови системи;

6. Да илюстрират с конкретни примери как се получава НАДФН, необходим за обезвреждане на свободни радикали;

7. Да обяснят разликите между хидролитно и фосфоролитично разграждане на гликоген;

8. Да обяснят причините, поради които може да възникне лактатна ацидоза;

9. Да разбират и обяснят последствията от недостатъчност на пируваткиназа, фруктозо-1,6-бисфосфатаза, глюкозо-6-фосфатаза, глюкозо-6-фосфат дехидрогеназа, мускулна гликоген фосфорилаза, галактозо-1-фосфат уридилтрансфераза, галактокиназа;



В. Умения

1. Да разграничат в кои стъпала на гликолиза и цитратен цикъл се получават макроергични съединения, предшественици на АТФ и в кои стъпала се получава АТФ;


2. Да приложат познанията си върху макроергични съединения и да определят кои междинни метаболити, продукти или субстрати в гликолизата и цитратния цикъл са макроергични съединения;

3. Да посочат връзките между гликолиза и дихателните вериги;

4. Да посочат връзките между гликолиза и цитратен цикъл;

5. Да изчислят енергетичния добив при анаеробно разграждане на една молекула глюкоза до пируват и при аеробно разграждане до СО2 и H2O;

6. Да изчислят енергетичните разходи за синтеза на една молекула глюкоза от лактат;

7. Да сравнят протичането на гликолиза в различни тъкани и да посочат особеностите за всяка тъкан (черен дроб, мозък, скелетни мускули, сърдечен мускул, еритроцити, мастна тъкан);

8. Да приложат познанията си върху алостерично повлияване, за да обяснят регулацията на гликолиза и глюконеогенеза;

9. Да илюстрират с примери защо глюкозо-6-фосфат е възлов метаболит.

10. Да приложат познанията си върху фосфорилиране-дефосфорилиране, за да обяснят реципрочно координираната регулацията на гликогенолиза и гликогеногенеза


11. Да представят молекулния механизъм на заболявания като галактоземия и някои гликогенози

12. Да прилагат познанията си върху обмяна на въглехидрати за решаване на клинични случаи, свързани с нарушения (ензимни дефекти) в обмяната на глюкоза, галактоза, фруктоза, гликоген.

6.1 Гликолиза

6.1.1 Резюме

Гликолизата е катаболитна верига от десет реакции, в която 1 молекула глюкоза се разгражда до 2 молекули пируват, съпроводено със синтеза на 2 молекули АТФ и редукция на 2 молекули НАД+ до НАДН.

В подготвителната фаза на гликолизата глюкозата се фосфорилира от хексокиназа (глюкокиназа в черния дроб) до глюкозо-6-фосфат. Последният се изомеризира до фруктозо-6-фосфат от хексозофосфат изомераза. Фруктозо-6-фосфатът се фосфорилира от фосфофруктокиназа до фруктозо-1,6-бисфосфат. Тези реакции консумират 2 молекули АТФ за 1 молекула глюкоза.

Фруктозо-1,6-бисфосфат се разгражда от алдолаза до триозите глицералдехид-3-фосфат (ГАФ) и дихидроксиацетон фосфат (ДХАФ), които се превръщат една в друго под действие на триозофосфат изомераза. ГАФ под действие на глицералдехид-3-фосфат дехидрогеназа се подлага на окислително фосфорилиране до 1,3-бисфосфоглицерат. Последният се превръща в 3-фосфоглицерат от глицерат киназата, съпроводено със синтеза на АТФ. Под действие на фосфоглицерат мутаза 3-фосфоглицерат се превръща в 2-фосфоглицерат. В енолазната реакция 2-фосфоглицерат се превръща в фосфоенол пируват


(ФЕП). Под действие на пируваткиназа ФЕП се превръща през енолпируват в пируват, съпроводено със синтеза на АТФ.

В глицераткиназната и пируваткиназната реакция се получават 4 молекули АТФ за 1 молекула глюкоза и общата енергетична равносметка при анаеробни условия е 2 молекули АТФ за молекула глюкоза.

В отсъствие на кислород пируват се редуцира до лактат, съпроводено с окисление на НАДН до НАД+. Така се регенерира НАД+, необходим за окислителното фосфорилиране на ГАФ. Лактат се получава както в усилено работещи мускули, така и при млечно-кисела ферментация. При алкохолна ферментация пируват през ацеталдехид дава етанол.

Вътрешната митохондрийна мембрана е непропусклива за цитоплазмения НАДН. Той предава водорода в митохондриите посредством совалки. Чрез малатната совалка се получават в дихателната верига теоретично 3 молекули АТФ за 1 молекула НАДН (или 2.5 съгласно корекциите на Hinkle). Чрез глицеролфосфатната совалка се получават 2 молекули АТФ (или по Hinkle 1.5) за 1 молекула НАДН.

При пълното аеробно разграждане на 1 молекула глюкоза в гликолизата и цитратния цикъл до СО2 и Н2О с участието на малатната совалка се получават общо 38 молекули АТФ (по Hinkle 32), а с участие на глицеролфосфатната совалка се получават 36 молекули АТФ (по Hinkle 30).

В повечето органи и тъкани глюкозата се разгражда аеробно. В мускулите при усилени натоварвания гликолизата протича анаеробно. Анаеробна гликолиза се извършва и в зрели еритроцити, които нямат митохондрии.

Реакциите, катализирани от хексокиназа, фосфофруктокиназа и пируваткиназа са необратими . Тези три ензима са регулаторните ензими на гликолизата.
Главният регулаторен ензим фосфофруктокиназа се инхибира алостерично от АТФ и цитрат, а АМФ, АДФ и фруктозо-2,6-бисфосфат действат като активатори.

Гликолизата е свързана с цитратния цикъл посредством окислителното декарбоксилиране на пируват до ацетил-КоА, лигазното карбоксилиране на пируват до оксалацетат и редуктивното карбоксилиране на пируват до малат. Последните две реакции са анаплеротични (попълват резервоара от оксалацетат и малат), което е важно за поддържане интензитета на цитратния цикъл.

Лактатна ацидоза се получава при усилена мускулна работа, при шок, конвулсии
и 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.

6.1.2 Определение и значение

Гликолизата е серия от реакции, протичащи в цитоплазмата, при които глюкоза се разгражда до пируват, съпроводено с отделяне и акумулиране на енергия (фиг. 6-1). Гликолитичната верига е най-древният механизъм за извличане на енергия от органични вещества. Това е основен обменен път, който има значение не само за разграждането на глюкоза и други въглехидрати, но и на голям брой други вещества.



Фиг. 6-1. Общ изглед на гликолиза.

Означението “-1 ~” показва, че 1 мол АТФ/мол глюкоза се разгражда за осигуряване на съответната реакция. Означението “+2 ~” показва, че при съответната реакция отделената енергия се акумулира в 2 мола АТФ/мол глюкоза. НАД+, необходим за окислителното фосфорилиране на глицералдехид-3-фосфат (т. 5.3.3), при анаеробни условия се доставя от редукцията на пируват до лактат посредством НАДН.

При анаеробни условия пируват се редуцира до лактат или превръща в други продукти, а при наличие на кислород пируват продължава своето разграждане чрез процесите на окислително декарбоксилиране и цитратен цикъл.

При анаеробна гликолиза се освобождава малка част от цялата енергия, съдържаща се в молекулата на глюкозата. Количественият принос за синтеза на макроергични съединения е малък в сравнение с този на дихателните вериги. Въпреки това, гликолизата е удивителен по своето съвършенство процес, чрез който дори в отсъствие на кислород, се


извлича енергия от глюкозата. При някои митохондрийни заболявания, или при инхибиране и разпрягане на дихателните вериги, гликолизата може да доставя АТФ на клетката, тъй като не се повлиява нито от инхибитори на електронния
транспорт, нито от разпрягащи агенти.

6.1.3 Химизъм

6.1.3.1 Подготвителна фаза

На фиг. 6-2-1 са представени първите три реакции на гликолизата, които протичат на ниво хексозни молекули. Реактивни са само цикличните им форми. При тях хексозната молекула се подготвя за разграждане, като се активира за сметка на разграждане на АТФ.





Фиг. 6-2-1. Подготвителна фаза на гликолизата – активиране на глюкозната молекула до фруктозо-1,6-бисфосфат.

Активирането на глюкоза до глюкозо-6-фосфат с участието на АТФ (реакция 1) е фосфотрансферазна реакция. Тук се изразходва 1 макроергична връзка. Пренася се фосфатен радикал от макроергично на нормоергично ниво. Реакцията е необратима. Част от енергията, отделена при разграждане макроергичната връзка на АТФ се включва в новосъздадената естерна връзка, а остатъкът се разсейва като топлина.

Ензимът, катализиращ фосфорилирането на глюкоза, се нарича хексокиназа. Известни са 4 изоензими. Два от най-застъпените (хексокиназа І и ІV) са сравнени в табл. 6-1 по отношение на застъпеност, специфичност, инхибиране от продукта на реакцията, афинитет към субстрата, активност, зависимост от концентрацията на кръвната глюкоза, влияние на инсулин и биологична роля.

 Табл. 6-1. Сравнение на хексокиназа І и хексокиназа IV(глюкокиназа)





Хексокиназа

Глюкокиназа



1) Название

Хексокиназа
(преди смятана за един ензим; сега се знае че има 4 изоензима)

Глюкокиназа
(хексокиназа IV)



2) Застъпеност

широко застъпена, вкл. и в черен дроб

преобладаващ ензим в черния дроб; има го и в островните клетки на панкреаса



3) Специфичност

по-малка специфичност - активира не само глюкоза, но и други хексози

Смяташе се, че е строго специфична към глюкоза, но в действителност по специфичност прилича на другите хексокинази



4) Инхибира се от

продукта на реакцията
глюкозо-6-фосфат

не се инхибира от
глюкозо-6-фосфат



5) Афинитет към глюкоза

висок (Кm = 0.1 mM)

нисък (Кm = 10 mM)



6) При нормална концентрация на глюкозата в кръвта 5 mM ензимът е

напълно наситен и работи с максимална ефективност

само частично наситен



7) Зависимост на V от концентрацията на глюкоза

правоъгълна хипербола

сигмоида, което е рядък случай за мономерен ензим с едно свързващо място за глюкоза



8) Активността зависи от концентрацията на глюкоза в кръвта

нe

да



9) Синтезата на ензимa се индуцира от инсулин



не
(ензимът е конститутивен)



да
(ензимът е индуцируем)



10) Биологична роля

да осигури поемане на глюкоза от тъканите дори при ниска глюкозна концентрация в кръвта

да осигури навлизане на глюкоза от кръвта в черния дроб и така да снижи нейната висока концентрация след нахранване

Алдозата глюкозо-6-фосфат се превръща в кетозата фруктозо-6-фосфат от глюкозо-фосфат изомераза (реакция 2). Тази обратима изомеразна реакция протича като вътрешно-молекулна оксидо-редуция.

След това фруктозо-6-фосфат се активира допълнително до фруктозо-1,6-бисфосфат от фосфофруктокиназа за сметка на разграждане на още една молекула АТФ (реакция 3). Фосфофруктокиназата е също фосфотрансфераза като хексокиназата. Фосфофруктокиназата е най-важният регулаторен алостеричен ензим за гликолиза. Докато хексокиназата участва и в други обменни пътища, фосфофруктокиназата е първият специфичен само за гликолизата ензим.

С получаването на фруктозо-1,6-бисфосфат завършва подготвителната фаза в гликолизата.

6.1.3.2 Разграждане на хексозната молекула до триози

На фиг. 6-2-2 фруктозо-1,6-бисфосфат е представен и в отворената си форма, за да се види ясно как под действие на ензима алдолаза протича разграждането му до две триози: алдозата глицералдехид-3-фосфат и кетозата дихидроксиацетонфосфат (ДХАФ) (реакция 4).

Под действие на триозофосфат изомераза тези триози се превръщат обратимо една в друга (реакция 5). Глицералдехид-3-фосфат се изтегля в следващата реакция, което улеснява превръщането на ДХАФ в глицералдехид-3-фосфат.





Фиг. 6-2-2. Разграждане на фруктозо-1,6-бисфосфат до триозите глицералдехид-3-фосфат и дихидроксиацетонфосфат и обратимото им превръщане една в друга. Равновесието се изтегля към глицералдехид-3фосфат, тъй като той е субстрат за следващата реакция в гликолизата.

6.1.3.3 Окислително фосфорилиране на глицералдехид-3-фосфат, изомеризиране на 3-фосфо-глицерат в 2-фосфо-глицерат и енолазна реакция

Това е най-важният стадий в гликолизата. В него се извършват две окислителни фосфорилирания на субстратно ниво.

Молекулният механизъм на окислителното фосфорилиране на глицералдехид-3-фосфат е разгледан в т. 5.3.3 (фиг. 5-11) като пример за субстратно фосфорилиране. Тук на фиг. 6-2-3 този процес е даден по-обобщено чрез реакции 6 и 7.





Фиг. 6-2-3. Окислителни фосфорилирания в гликолизата.

В реакция 6 алдехидната група на глицералдехид-3-фосфат се окислява до карбоксилна. Отделената енергия се акумулира в ацил-фосфатна макроергична връзка. Получава се макроергичен продукт – 1,3-бисфосфоглицерат. Ензимът глицералдехид-3-фосфат дехидрогеназа е анаеробна дехидрогеназа, действаща съвместно с НАД+, който се редуцира.

В реакция 7 глицерат киназа пренся фосфатна група на високо макроергично ниво (от 1,3-бисфосфоглицерат върху АДФ). Натрупаната енергия в ацил-фосфатната връзка се пренася върху АДФ и се синтезира АТФ, а 1,3-бисфосфоглицерат се превръща в
3-фосфоглицерат. Последният е субстрат за фосфоглицерат мутаза, която го превръща обратимо в 2-фосфо-глицерат (реакция 8).

Реакция 9, разгледана като енолазна реакция в т. 5.3.4, е също пример за субстратно фосфорилиране. Тук 2-фосфоглицерат се превръща без участие на външна редокс-система в макроергичния продукт фосфоенолпируват (ФЕП). Отделянето на вода протича като вътрешномолекулна оксидоредукция, съпроводена с отделяне на енергия. Тази енергия се акумулира в енолфосфатната връзка на ФЕП, предшественик на АТФ.

В реакция 10 пируват киназа превръща ФЕП в пируват (фиг. 6-2-4). Реакцията е необратима и силно екзергонична (Go' = - 61.9 kJ/mol). Част от акумулираната енергия във ФЕП се ползва за синтеза на АТФ – пренася се фосфатен радикал на макроергично ниво от ФЕП върху АДФ, а останалата част се разсейва като топлина. За високата стойност на Go' допринася главно тавтомеризирането на енол-пируват в неговата кето-форма.



Фиг. 6-2-4. Превръщане на ФЕП в пируват и редукция на пируват до лактат.

При анаеробни условия, напр. в усилено работещи мускули, пируват се редуцира до лактат (реакция 11), като за тази редукция се използва НАДН, натрупан при окислителното фосфорилиране на глицералдехид-3-фосфат в реакция 6. (фиг. 6-2-3). Получаването на


НАД+ е благоприятно за протичане на гликолизата. Именно връзката между тези две реакции позволява гликолизата да протича дори в отсъствие на кислород.

Получаването на лактат в бактерии вследствие на анаеробна гликолиза се означава като млечно-кисела ферментация, благодарение на която се произвежда кисело мляко и различни трушии. Известни са и други ферментации при микроорганизми – напр. алкохолна ферментация. При нея пируват първоначално се декарбоксилира до ацеталдехид, а той се редуцира до етанол.

6.1.4 Енергетичен добив при анаеробни условия

При разграждане на 1 молекула глюкоза до 2 молекули лактат в анаеробни условия се отделят 196 kJ/mol (фиг. 6-3). Част от тази енергия се акумулира под форма на 2 молекули АТФ за молекула глюкоза.




Go' = - 196 kJ/mol

За синтеза на 2 мол АТФ се изискват 61 kJ/mol.


Go' = 2 x 30.5 = 61 kJ/mol



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


Сподели с приятели:
  1   2   3   4   5




©obuch.info 2024
отнасят до администрацията

    Начална страница