Вопрос 59 Цикл лимонной кислоты: последовательность реакций и характеристика ферментов. Роль цикла в метаболизме.

Цикл лимонной кислоты (цитратный цикл, цикл Кребса, цикл трикарбоновых

кислот, ЦТК) – заключительный этап катаболизма, в котором углерод ацетильного остатка ацетил-КоА окисляется до 2 молекул СO₂.

Атомы водорода, освобождающиеся в окислительно-восстановительных реакциях,

доставляются в ЦПЭ при участии NAD- и FAD-зависимых дегидрогеназ, в результате чего происходят синтез воды и окислительное фосфорилирование АДФ. Связь между атомами углерода в ацетил- КоА устойчива к окислению. В условиях организма окисление ацетильного остатка происходит в несколько этапов, образующих циклический процесс из 8 реакций.

1. Образование цитрата: углеродный атом метильной группы ацетил-КоА

связывается с карбонильной группой оксалоацетата; одновременно расщепляется тиоэфирная связь и освобождается коэнзим A. Реакция сопровождается потерей большого количества энергии в виде теплоты.

Фермент: цитратсинтаза, фермент, локализованный в матриксе митохондрий.

2. Превращение цитрата в изоцитрат: обратимая реакция.

Фермент: аконитаза, назван по промежуточному продукту, цис-аконитовой кислоте, которая предположительно образуется в реакции (не обнаруживается в свободном виде, так как не отделяется от активного центра фермента до завершения реакции).

3. Окислительное декарбоксилирование изоцитрата: обр. α-кетоглутарата

Фермент: изоцитратдегидрогеназа.

Существуют 2 формы изоцитратдегидрогеназы: одна содержит в качестве

кофермента NAD⁺ (локализован в митохондриях и участвует в ЦТК), вторая – NADP⁺. (присутствует и в митохондриях, и в цитоплазме, играет иную метаболическую роль).

• Это самая медленная реакция цитратного цикла.

• АДФ – аллостерический активатор фермента.

4. Окислительное декарбоксилирование α-кетоглутарата: α-КГ подвергается

окислительному декарбоксилированию с образованием сукцинил-КоА, СO₂ и NADH + Н⁺. Фермент: α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс, который по структуре и функциям сходен с пируватдегидрогеназным комплексом (ПДК).

Подобно ПДК, он состоит из 3 ферментов:

• α-кетоглутаратдекарбоксилазы

• дигидролипоилтранссукцинилазы

• дигидролипоилдегидрогеназы.

В этот ферментный комплекс входят 5 коферментов: тиаминдифосфат, кофермент А, ли- поевая кислота, NAD⁺ и FAD.

Отличие этой ферментной системы от ПДК: она не имеет сложного механизма

регуляции, какой характерен для ПДК (в этом комплексе отсутствуют регуляторные субъединицы)

5. Превращение сукцинил-КоА в сукцинат

Фермент: сукцинаттиокиназа

Сукцинил-КоА – высокоэнергетическое соединение. В митохондриях разрыв

тиоэфирной связи сукцинил-КоА сопряжён с реакцией фосфорилирования гуанозиндифосфата (ГДФ) до гуанозинтрифосфата (ГТФ). Промежуточный этап реакции – фосфорилирование молекулы фермента по одному из гистидиновых остатков АЦ. Затем остаток фосфорной кислоты присоединяется к ГДФ с образованием ГТФ.

6. Дегидрирование сукцината: он превращается в фумарат

Фермент: сукцинатдегидрогеназы – флавопротеин, молекула которого содержит прочно связанный кофермент FAD. Прочно связана с внутренней митохондриальной мембраной.

Состоит из 2 субъединиц, одна из которых связана с FAD.

Обе субъединицы содержат железосерные центры; одна – Fe₂S₂, а другая – Fe₄S₄. В железосерных центрах атомы железа меняют свою валентность, участвуя в транспорте электронов.

7. Образование малата из фумарата

Фермент: фумараза – олигомерный белок, состоящий из 4 идентичных ППЦ. Он расположен в матриксе митохондрий. Это ф. с абсолютной субстратной специфичностью: катализирует гидратацию только трансформы фумарата.

8. Дегидрирование малата: обр. оксалоацетат

Фермент: NAD-зависимая малатдегидрогеназа, содержащаяся в матриксе митохондрий.

В цитозоле содержится изоформа малатдегидрогеназы, также NАD-зависимая, но не принимающая участие в цитратном цикле.

Роль цитратного цикла:

1. Энергетическая

• Генерация атомов водорода для работы дыхательной цепи, а именно трех молекул НАДН и одной молекулы ФАДН2,

• Синтез одной молекулы ГТФ (эквивалентна АТФ).

2. Анаболическая. В ЦТК образуются:

• Предшественник гема – сукцинил-SКоА,

• Кетокислоты, способные превращаться в аминокислоты – α-кетоглутарат для глутаминовой кислоты, оксалоацетат для аспарагиновой,

• Лимонная кислота, используемая для синтеза жирных кислот,

• Оксалоацетат, используемый для синтеза глюкозы.

Вопрос 60 Цикл лимонной кислоты, схема процесса. Связь цикла с целью переноса электронов и протонов. Регуляция цикла лимонной кислоты. Анаболические и анаплеротические функции цитратного цикла.

Цикл (см. 59 вопрос)

Связь окислительного декарбоксилирования пирувата с ЦПЭ: окислит.

декарбокс-е пирувата (ЦТК) сопровождается образованием NADH, поставляющим электроны в дыхательную цепь и обеспечивающим синтез 3 молей АТФ на 1 моль пирувата путём окислительного фосфорилирования.

• Так как отношения АДФ/АТФ и NADH/NAD⁺ в клетке относительно постоянны,

ускорение утилизации АТФ приводит к повышению концентрации АДФ и ускорению окисления NADH в дыхательной цепи. Повышение концентрации NAD⁺, стимулирует окислительное декарбоксилирование пирувата.

• И наоборот, повышение концентрации АТФ и NADH снижает скорость процесса.

Т.о., изменения отношений АДФ/АТФ и NADH/ NAD⁺ – важнейшие сигналы, отражающие энергетические потребности клетки и регулирующие скорость окислительного декарбоксилирования пирувата.

Каталитическая активность пируват-дегидрогеназного комплекса снижается, когда

в клетках имеется достаточно "топлива" в виде жирных кислот и ацетил-КоА.

Анаболические и анаплеротические функции цитратного цикла.

Цикл лимонной кислоты – амфиболический, т.к. помимо окисления в-в, там

происходит обр-е субстратов для других метаболических путей.

Промежуточные продукты цикла: α-кетоглутарат, сукцинат, оксалоацетат

могут использоваться для синтеза заменимых аминокислот.

Убыль промежуточных продуктов цикла восполняется в реакциях, катализируемых

специфическими ферментами. Реакции, забирающие промежуточные продукты из цикла и восполняющие их убыль, находятся в состоянии равновесия, так что концентрация продуктов в митохондриях постоянна.

Анаплеротические реакции – р., обеспечивающие пополнение фонда

промежуточных продуктов ЦТК

Важнейшая из них: реакция синтеза оксалоацетата из пирувата.

Фермент: пируваткарбоксилаза (олигомерный фермент, содержащий 4 простетические группы, представленные биотином).

Если для ЦТК не хватает оксалоацетата или другого промежуточного продукта, то

карбоксилирование пирувата ускоряется (источник энергии АТФ).

Реакция протекает в 2 стадии.

1. Происходит активация СO2 путём присоединения к одному из атомов азота в молекуле биотина. Эта реакция сопряжена с гидролизом АТФ.

АТФ + СO₂+ Е-биотин + Н2O → АДФ + Н3РO4 + Е-биотин-СОО^- + 2 Н⁺

2. Активированная карбоксильная группа переносится на пируват.

Е-биотин-СОО^- + Пируват → Е-биотин + Оксалоацетат

Пируваткарбоксилаза – регуляторный фермент. Если концентрация ацетил-КоА

увеличивается, то он действует как аллостерический активатор пируваткарбоксилазы, ускоряя образование оксалоацетата. Т.о., избыток ацетил-КоА способствует активации цитратного цикла.

Метаболиты цитратного цикла используются как субстраты синтеза углеродного

скелета ряда соединений и явл. донорами Н⁺для образования восстановленных коферментов, участвующих в реакциях синтеза жирных кислот, стероидов и других веществ.

Два метаболита ЦТК могут дегидрироваться при участии NADP-зaвиcимыx

дегидрогеназ: малата и изоцитрата (обеспечивают обр около половины общего фонда NADPН, используемого в восстановительных синтезах)

Вопрос 61 Основные углеводы животных, биологическая роль. Углеводы пищи, переваривание углеводов. Всасывание продуктов переваривания.

Углеводы – основные поставщики энергии. На долю углеводов приходится

примерно 75% массы пищевого суточного рациона и более 50% от суточного количества необходимых калорий.

Основные углеводы животных:

В пище содержатся в основном в виде олигосахаридов и полисахаридов

Сахароза – дисахарид, состоящий из α-D-глюкозы и β-D-фруктозы, соединённых

α, β-1,2-гликозидной связью. Растворимый дисахарид со сладким вкусом. Источником сахарозы служат растения, особенно сахарная свёкла, сахарный тростник.

Лактоза – молочный сахар; важнейший дисахарид молока млекопитающих.

В лактозе аномерная ОН-группа первого углеродного атома остатка D-галактозы связана β-гликозидной связью с четвёртым углеродным атомом D-глюкозы (β-1,4-связь).

Мальтоза поступает с продуктами, содержащими частично гидролизованный

крахмал, например, солод, пиво. Мальтоза также образуется при расщеплении крахмала в кишечнике. Она состоит из 2х остатков D-глюкозы, соединённых α-1,4-гликозидной св.

Гликоген – главный резервный полисахарид высших животных и человека,

построенный из остатков D-глюкозы. Гликоген содержится практически во всех органах и тканях животных и человека; наибольшее количество обнаружено в печени и мышцах.

При гидролизе: гликоген → декстрины →мальтоза → глюкоза

Крахмал – наиболее важный углеводный компонент пищевого рациона.

Резервный полисахарид растений (подобно гликогену у человека). Состоит из остатков глюкозы в двух формах: амилозы (неразветвленная молекула – только α-1,4-гликозидная связь) и амилопектина (разветвленная – α-1,4- и α-1,6-гликозидные связи)

Целлюлоза (клетчатка) – состоит из остатков глюкозы, соед. β-1,4-гликозид. св)

В организме человека нет ферментов, разрывающих β-связи в полисахаридах, но клетчатка все равно требуется для нормального пищеварения

Биологическая роль углеводов:

• Основной источник энергии

• Выполняют структурную роль – в виде гликозаминогликанов входят в состав межклеточного матрикса

• Рецепторная функция – входят в состав рецепторов

• Из углеводов в процессе метаболизма образуется большое число орг. соед, которые служат исходными субстратами для синтеза липидов, аминокислот, нуклеотидов.

• Участвуют в детоксикации ксенобиотиков и инактивации веществ эндогенного происхождения (в составе глюкоуронидов)

Углеводы нельзя считать незаменимыми компонентами пищи, но если исключить

углеводы из рациона, то следствием м.б. гипогликемия, для компенсации которой будут расходоваться белки и липиды.

Эпителиальные клетки кишечника способны всасывать только моносахариды.

Поэтому процесс переваривания заключается в ферментативном гидролизе гликозидных связей в углеводах, имеющих олиго- или полисахаридное строение

А. Переваривание углеводов в ротовой полости

В ротовой полости пища измельчается при пережёвывании, смачиваясь при этом

слюной. В слюне присутствует α-амилаза, расщепляющая в крахмале α-1,4-гликозидные связи. В ротовой полости не может происходить полное расщепление крахмала, так как действие фермента на крахмал кратковременно и амилаза слюны не расщепляет α-1,6-гликозидные связи, поэтому крахмал переваривается частично с образованием крупных фрагментов – декстринов и небольшого количества мальтозы.

+ Амилаза слюны не гидролизует гликозидные связи в дисахаридах.

Действие амилазы прекращается в кислой среде желудка. Желудочный сок не содержит ферментов, расщепляющих углеводы.

Б. Переваривание углеводов в кишечнике: след. этапы переваривания крахмала и др. углеводов происходит в тонком кишечнике под действием – гликозидаз.

Панкреатическая α-амилаза

В двенадцатиперстной кишке рН среды желудочного содержимого нейтрализуется,

так как секрет поджелудочной железы имеет рН 7,5-8,0 и содержит бикарбонаты.

С секретом поджелуд. железы в кишечник поступает панкреатическая α-амилаза.

Продукты переваривания крахмала на этом этапе – дисахарид мальтоза, содержащая 2 остатка глюкозы, связанные α-1,4-связью.

Из тех остатков глюкозы, которые в молекуле крахмала находятся в местах

разветвления и соединены α-1,6-гликозидной связью, образуется дисахарид изомальтоза. Также образуются олигосахариды, содержащие 3-8 остатков глюкозы,

связанные α-1,4- и α-1,6-связями.

Целлюлоза проходит через кишечник неизменённой – выполняет важную

функцию балластного вещества, придавая пище дополнительный объём и положительно влияя на процесс переваривания. В толстом кишечнике целлюлоза может подвергаться действию бактериал. ферментов и частично расщепляться с образованием спиртов, органических кислот и СО₂ = стимуляторы перистальтики кишечника.

Мальтоза, изомальтоза и триозосахариды, образующиеся из крахмала –

перевариваются под действием ферментов в тонком кишечнике. Дисахариды пищи сахароза и лактоза также гидролизуются специфическими дисахаридазами в тонком кишечнике.

Тонкий кишечник изнутри имеет ворсинки, благодаря чему увеличивается

поверхность контакта ферментов и субстратов в содержимом кишечника.

Ферменты, расщепляющие гликозидные связи в дисахаридах (дисахаридазы), образуют ферментативные комплексы, локализованные на наружной поверхности цитоплазматической мембраны энтероцитов.

Сахаразо-изомальтазный комплекс состоит из двух ППЦ и имеет доменное

строение. Связь фермента с мембраной способствует эффективному поглощению продуктов гидролиза клеткой. Этот комплекс гидролизует сахарозу и изомальтозу (имеея сахаразную и изомальтазную субъединицы), расщепляя α-1,2- и α-1,6- гликозидные связи.

Оба ферментных домена имеют мальтазную и мальтотриазную активности,

гидролизуя α-1,4-гликозидные связи в мальтозе и мальтотриозе, но сахаразная субъединица – единственный фермент в кишечнике, гидролизующий сахарозу.

Гликоамилазный комплекс – этот ферментативный комплекс катализирует

гидролиз α-1,4-связи между глюкозными остатками в олигосахаридах. Комплекс расщепляет связи в мальтозе, действуя как мальтаза. В гликоамилазный комплекс входят две разные каталитические субъединицы, имеющие небольшие различия в субстратной специфичности. Гликоамилазная активность комплекса наибольшая в нижних отделах тонкого кишечника.

β-Гликозидазный комплекс (лактаза) – ф. комплекс является гликопротеином.

Лактаза расщепляет β-1,4-гликозидные связи между галактозой и глюкозой в лактозе. Лактоза распределена неравномерно по всему тонкому кишечнику. Активность лактазы колеблется в зависимости от возраста. Так, активность лактазы сохраняется на высоком уровне до 5-7-летнего возраста.

Трегалаза – ф. комплекс, гидролизующий связи между мономерами в трегалозе

(дисахарид, содержащийся в грибах)

Совместное действие всех перечисленных ферментов завершает переваривание

пищевых олиго- и полисахаридов с обр. моносахаридов, основной из которых – глюкоза.

Моносахариды всасываются эпителиальными клетками тощей и подвздошной

кишок с помощью специальных механизмов транспорта через мембраны этих клеток.

В. Всасывание моносахаридов в кишечнике

Транспорт моносахаридов в клетки слизистой оболочки кишечника может

осуществляться 2 способами:

• Путём облегчённой диффузии

• Путем активного транспорта

При разной концентрации глюкозы в просвете кишечника "работают" различные механизмы транспорта. В случае

1. Активный транспорт – когда конц. глюкозы в просвете кишечника мала.

Глюкоза и Na⁺ проходят через мембраны с люминальной стороны, связываясь с разными участками белка-переносчика.

При этом Na⁺ поступает в клетку по градиенту концентрации, и одновременно

глюкоза транспортируется против градиента концентрации. Градиент концентрации Na⁺ создаётся работой Nа⁺,К⁺-АТФ-азы (такой же способ характерен также для галактозы)