Метаболизм углеводов
План
1. Пентозофосфатный цикл
2. Синтез и превращения углеводов. Синтез сахарозы и лактозы
3. Синтез и распад крахмала
4. Синтез и распад гликогена
Основное содержание исследования
1. Пентозофосфатный путь. Окисление углеводов в цикле лимонной кислоты через пировиноградную кислоту - главный путь аэробного окисления. Однако кроме этого, основного, пути распада углеводов есть и другой путь окисление без предварительного расщепления глюкозы до триоз. Это окисление протекает по пентозофосфатному пути, который называется также фосфоглюконатным.
Первым этапом является окисление глюкозо-6-фосфата до 6-фос-фоглюконата, катализируемого глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой. Акцептором злектронов при этом служит NADP*. В результате этой реакции образуется 6-фосфоглюконолактон.
На следующей стадии 6-фосфоглюконолактон подвергается дегидрированию и дскарбоксилировлнию под действием 6-фосфоглюконатдегидрогеназы. Эта реакция привозит к образованию кетопентозы - рибулозо-5-фосфата и еще одной молекулы NADPH + H'. Рибулозо-з-фосфат изомеризуется в рибозо-5-фосфат.
Суммарное уравнение пентозофосфатного пути:
Глюкозо-6-фосфат - 2 NADP* + Н2О - > Рибозо-5-фосфат + СО2+
2NADPH+2Н"
Для полного окисления глюкозо-6-фосфата доСО2 необходимо, чтобы все реакции пентозофосфатного пути повторялись 6 раз. Образовавшаяся восстановленная форма NADPH + H' по цепи переноса электронов передает электрон водорода кислороду воздуха. В результате этой реакции образуется молекула Н2О и выделяется энергия достаточная для синтеза трех молекул ATР. Всего при полном окислении глюкозо-6-фосфата образуется 12 х 3 = 36 молекул АТР. При таком окислении углеводов выделяется и используется растением примерно столько же энергии, сколько при окислении углеводов через пировиноградную кислоту и цикл лимонной кислоты.
Значение пентозофосфатного пути состоит в том, что в результате этого процесса образуются пентозы, в частности рибозо-5-фосфат, который используется на синтез других ферментов. Пентозофосфатный путь является источником NADPH +H*, который необходим для биосинтеза жирных кислот. Вследствие пентозофосфатного окисления глюкозы примерно на 50% покрывается потребность организма в NADPH +H, Окисление по этому пути протекает, в частности, при ограниченном доступе кислорода для дыхания - при хранении растительного сырья в регулируемой низкокислородной газовой среде, а также при старении клеток живых организмов.
2. Синтез и превращения углеводов. Синтез сахарозы и лактозы. Углеводы в тканях являются подвижными соединениями. Наличие многочисленных ферментных систем позволяет непрерывно происходить в тканях процессам синтеза, распада и взаимопревращений углеводов.
1. Синтез сахарозы. Основным продуктом ассимиляции углекислоты в фотосинтетическом цикле является фруктозо-6-фосфат. Фруктозо-6-фосфат превращается в сахарозу через ряд реакций. В первой реакции фруктозо-6-фосфат под действием глюкофосфатизомеразы превращается в глюкозо-6-фосфат:
На следующем этапе глюкозо-1-фосфат соединяется с уридинтрифосфатом (УТФ), этот процесс катализируется ферментом глюкозо-1-фосфатуридилтрансферазой. При этом отщепляется пирофосфорная кислота, и образуется соединение глюкозы с УДФ - уридиндифосфатглюкоза.
Затем из второй молекулы фруктозо-6-фосфата образуется свободная фруктоза. Эта реакция происходит с участием воды под действием фермента фосфатазы:
метаболизм углевод пензофосфатный гликоген
На последнем этапе при взаимодействии уридиндифосфатглюкозы со свободной фруктозой образуется сахароза и уридиндифосфорная кислота, катализатором реакции является фермент сахарозо-УДФ-глюкозилтрансфераза.
В растительных клетках непрерывно идет процесс регенерации УТФ, необходимой для синтеза сахарозы.
УТФ образуется из УДФ под действием фермента нуклеозиддифосфаткиназы:
УДФ + АТФ УТФ + АДФ
Синтез сахарозы сопровождается также реакцией расщепления неорганического пирофосфата с образованием ортофосфата. Эта реакция катализируется пирофосфатазой:
Н4Р2О7 + Н2О 2 Н3РО4.
Суммарное уравнение реакции синтеза сахарозы:
2 фруктозо-6-фосфат + АТФ + 2 Н2О сахароза + АДФ + 3 Н3РО4
Синтез лактозы регулируется особым образом Почти все ткани позвоночных содержат галактозилтрансферазу - фермент, катализирующий перенос D-галактозильных групп на N-ацетилглюкозамин
3. Синтез и распад крахмала. Крахмал состоит из амилозы и амилопектина. В строении этих двух составных частей крахмала имеются существенные различия, поэтому механизмы их биосинтеза различаются.
Исходным продуктом для синтеза амилозы является глюкозо-1-фосфат. Соединение отдельных молекул глюкозо-1-фосфата между собой катализируется ферментом ?-глюканфосфорилазой. Н3РО4 при этом отщепляется, и образуются связи между первым и четвертым атомами углерода остатков глюкозы.
Для действия фосфорилазы и синтеза амилозы необходимо наличие в реакционной среде небольшого количества "затравки" - полисахаридов, построенных из 3-4 остатков глюкозы, соединенных 1,4-связями. В синтезе амилозы молекула глюкозо-1-фосфата является донором, а "затравка" - акцептором остатков глюкозы. В качестве донора глюкозных остатков могут также служить уридиндифосфатглюкоза (УДФГ) и аденозиндифосфатглюкоза (АДФГ). АДФГ в качестве донора глюкозных остатков примерно в 10 раз более эффективна, чем УДФГ.
Синтез разветвленной молекулы амилопектина, имеющего 1,6-связи, происходит при помощи Q-фермента.
Этот фермент в свободном виде выделен из картофеля. Он катализирует превращение амилозы в амилопектин.
Если в реакционной среде имеется смесь фосфорилазы, Q-фермента, глюкозо-1-фосфата и затравки, то сразу происходит синтез амилопектина, минуя стадию синтеза амилозы.
Распад крахмала. Этот процесс может протекать в результате реакций двух типов: гидролиза и фосфоролиза.
Гидролитический распад крахмала осуществляется под действием четырех ферментов класса гидролаз:
1) ?-амилаза расщепляет 1,4-связи. Разрыв связей происходит без определенного порядка. Под действием ?-амилазы образуются мальтоза, декстрины, глюкоза;
2) ?-амилаза вызывает гидролитическое расщепление 1,4-связей, но она последовательно отщепляет от молекулы крахмала остатки мальтозы;
3) глюкоамилаза последовательно отщепляет остатки глюкозы от молекулы крахмала, расщепляя 1,4-связи;
4) амилопектин-1,6-глюкозидаза (R-фермент) катализирует расщепление 1,6-связей, действуя на точки ветвления молекулы.
Образующаяся в результате распада крахмала мальтоза под действием ?-глюкозидазы с участием воды дает 2 молекулы глюкозы. Второй тип распада крахмала - фосфоролиз - сводится к присоединению Н3РО4 по месту разрыва глюкозидных связей между остатками моносахарида. При этом образуется глюкозо-1-фосфат. Эта реакция катализируется ферментом ?-глюкофосфорилазой из класса трансфераз.
4. Синтез и распад гликогена. Этот процесс берет начало от реакции синтеза глюкозо-6-фосфата:
гексокиназа
1) глюкоза + АТФ глюкозо-6-фосфат + АДФ
Следующий этап - превращение глюкозо-6-фосфата в глюкозо-1-фосфат под действием фермента фосфоглюкомутазы:
фосфоглюкомутаза
2) глюкозо-6-фосфат глюкозо-1-фосфат
Далее глюкозо-1-фосфат вступает в реакцию с уридинтрифосфатом (УТФ):
О О О
3) Глюкозо-1-фосфат + НО-Р-О-Р-О-Р-О-СН2
ОН ОН ОН
В результате реакции образуется активный нуклеотид УДФГ. Далее при участии разветвляющего фермента активированные молекулы глюкозы в УДФГ соединяются гликозидными связями, образуя гликоген.
Распад гликогена (гликогенолиз). Для образования энергии, расходуемой организмом, происходит освобождение глюкозы. Этот процесс идет под влиянием фермента фосфорилазы, расщепляющего 1,4 ?-гликозидные связи гликогена. Другие ферменты способствуют расщеплению глюкозо-1-фосфата, который подвергается действию фермента фосфоглюкомутазы с образованием глюкозо-6-фосфата. Далее глюкозо-6-фосфат распадается до глюкозы.
Сравнение процессов синтеза и распада гликогена позволяет сделать следующие выводы:
· синтез и распад гликогена протекают по разным метаболическими путям;
· печень запасает глюкозу в виде гликогена не столько для собственных нужд, сколько для поддержания постоянной концентрации глюкозы в крови, и, следовательно, обеспечивает поступление глюкозы в другие ткани. Присутствие в печени глюкозо-6-фосфатазы обусловливает эту главную функцию печени в обмене гликогена;
· функция мышечного гликогена заключается в освобождении глюкозо-6-фосфата, потребляемого в самой мышце для окисления и использования энергии;
· синтез гликогена - процесс эндергонический. Так на включение одного остатка глюкозы в полисахаридную цепь используется 1 моль АТФ и 1 моль УТФ;
· распад гликогена до глюкозо-6-фосфата не требует энергии;
· необратимость процессов синтеза и распада гликогена обеспечивается их регуляцией.
Литература
1. Казаков Е.Д., Биохимия зерна и хлебопродуктов. [Текст] / Е.Д. Казаков, Г. П Карпиленко - СПб: ГИОРД, 2005. - 512 с.
2. Комов В.П., Биохимия. [Текст] /В, П. Комов. - СПб.: ГИОРД, 2004. - 465с
3. Ленинджер А. Основы биохимии: В 3 т. М.: Мир, 1987.980 с.
4. Луценко Н.Г. Начала биохимии: Кур лекций / РХТУ им. Менделеева Д.И. - М.: МАЙК "Наука/Интерпериодика", 2002 - 125 с
5. Рис Э., Введение в молекулярную биологию: от клеток к атомам: Пер. с англ. [Текст] / Э. Рис, М. Стернберг. - М.: Мир, 2002. - 142с.
6. Уайт А., Фендлер Ф., Смит Э., Хилл Р., Леман И. Основы биохимии. В 3 т. - М.: Мир, 1981.
7. Щербаков В.Г., Биохимия. [Текст] / В.Г. Щербаков, В.Г. Лобанов, Т.Н. Прудникова, А.Д. Минакова - СПб.: ГИОРД, 2003. - 440 с.
8. Эллиот В., Эллиот Д. Биохимия и молекулярная биология. М.: НИИ биомед. химии РАМН, 1999. - 372 с