Биологическое окисление в клетке происходит в чем

Окисление биологическое

Полезное

Смотреть что такое «Окисление биологическое» в других словарях:

ОКИСЛЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЕ — совокупность реакций окисления, протекающих во всех живых клетках. Осн. функция обеспечение организма энергией. О. б. связано с передачей т. н. восстанавливающих эквивалентов (ВЭ) атомов водорода или электронов от донора к акцептору. У аэробов… … Биологический энциклопедический словарь

окисление биологическое — совокупность реакций окисления, протекающих во всех живых клетках. Основная функция О. б. – обеспечение организма энергией. Оно связано с передачей так называемых восстанавливающих эквивалентов (ВЭ) – атомов водорода или электронов – от донора к… … Словарь микробиологии

Окисление-восстановление — окислительно восстановительные реакции, химические реакции, сопровождающиеся изменением окислительных чисел (См. Окислительное число) атомов. Первоначально (со времени введения в химию кислородной теории горения А. Лавуазье, конец 18 в.)… … Большая советская энциклопедия

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ — совокупность ферментативных окислительно восстановительных реакций, протекающих в живых клетках. В процессе биологического окисления происходит расщепление питательных веществ, и освобождаемая при этом энергия запасается в удобной для… … Большой Энциклопедический словарь

биологическое окисление — – совокупность протекающих в живых клетках ферментативных окислительно восстановительных реакций, в результате которых происходит расщепление веществ пищи, и освобождаемая при этом энергия запасается в удобной для использования клетками форме – в … Краткий словарь биохимических терминов

биологическое окисление — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN bio oxidation … Справочник технического переводчика

Биологическое потребление кислорода — У этого термина существуют и другие значения, см. БПК. Биологическое потребление кислорода (БПК) количество кислорода, израсходованное на аэробное биохимическое окисление под действием микроорганизмов и разложение нестойких органических… … Википедия

биологическое окисление — совокупность ферментативных окислительно восстановительных реакций, протекающих в живых клетках. В процессе биологического окисления происходит расщепление питательных веществ, и освобождаемая при этом энергия запасается в удобной для… … Энциклопедический словарь

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ — совокупность ферментативных окислит. восстановит. реакций, протекающих в живых клетках. В процессе Б. о. происходит расщепление питат. в в, и освобождаемая при этом энергия запасается в удобной для использования клетками форме т. н. богатых… … Естествознание. Энциклопедический словарь

Источник

Глава 10. Энергетический обмен. Биологическое окисление

Глава 10. Энергетический обмен. Биологическое окисление

Живые организмы с точки зрения термодинамики – открытые системы. Между системой и окружающей средой возможен обмен энергии, который происходит в соответствии с законами термодинамики. Каждое органическое соединение, поступающее в организм, обладает определенным запасом энергии (Е). Часть этой энергии может быть использована для совершения полезной работы. Такую энергию называют свободной энергией (G). Направление химической реакции определяется значением DG. Если эта величина отрицательна, то реакция протекает самопроизвольно. Такие реакции называются экзергоническими. Если DG положительно, то реакция будет протекать только при поступлении свободной энергии извне – это эндергонические реакции. В биологических системах термодинамически невыгодные эндергонические реакции могут протекать лишь за счет энергии экзергонических реакций. Такие реакции называют энергетически сопряженными.

Преобразование энергии в живой клетке описывается следующей общей схемой:

Биологическое окисление – это процесс дегидрирования субстрата с помощью промежуточных переносчиков водорода и его конечного акцептора. Если в роли конечного акцептора выступает кислород, процесс называется аэробным окислением или тканевым дыханием, если конечный акцептор представлен не кислородом – анаэробным окислением. Анаэробное окисление имеет ограниченное значение в организме человека. Основная функция биологического окисления – обеспечение клетки энергией в доступной форме.

Тканевое дыхание – процесс окисления водорода кислородом до воды ферментами цепи тканевого дыхания. Оно протекает по следующей схеме:

Вещество окисляется, если отдает электроны или одновременно электроны и протоны (атомы водорода), или присоединяет кислород. Способность молекулы отдавать электроны другой молекуле определяется окислительно-восстановительным потенциалом (редокс-потенциалом). Любое соединение может отдавать электроны только веществу с более высоким окислительно-восстановительным потенциалом. Окислитель и восстановитель всегда образуют сопряженную пару.

Выделяют 2 типа окисляемых субстратов:

2. флавинзависимые – являются производными углеводородов – сукцинат, ацил-КоА, глицерол-3-фосфат, холин – при дегидрировании передают водород на ФАД-зависимые дегидрогеназы.

Цепь тканевого дыхания – последовательность переносчиков протонов водорода (Н+) и электронов от окисляемого субстрата на кислород, локализованных на внутренней мембране митохондрий.

Компоненты ЦТД:

1. НАД-зависимые дегидрогеназы дегидрируют пиридинзависимые субстраты и акцептируют 2? и один Н +.

3. Жирорастворимый переносчик убихинон (кофермент Q, КоQ) – свободно перемещается по мембране митохондрий и акцептирует два атома водорода и превращается в КоQH 2 (восстановленная форма – убихинол).

Железосерные белки (FeS) – содержат негемовое железо и участвуют в окислительно-восстановительных процессах, протекающих по одноэлектронному механизму и ассоциированы с флавопротеинами и цитохромом b.

Структурная организация цепи тканевого дыхания

Компоненты дыхательной цепи во внутренней мембране михохондрий формируют комплексы:

1. I комплекс (НАДН-КоQН 2-редуктаза) – принимает электороны от митохондриального НАДН и транспортирует их на КоQ. Протоны транспортируются в межмембранное пространство. Промежуточным акцептором и переносчиком протонов и электронов являются ФМН и железосерные белки. I комплекс разделяет поток электронов и протонов.

Убихинон легко перемещается по мембране и передает электроны на III комплекс.

Существует 2 разновидности ЦТД:

1. Полная цепь – в нее вступают пиридинзависимые субстраты и предают атомы водорода на НАД-зависимые дегидрогеназы

2. Неполная (укороченная или редуцированная) ЦТД в которой атомы водорода передаются от ФАД-зависимых субстратов, в обход первого комплекса.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Читайте также

Глава 11. Что дает энергетический подход для теоретической биологии, или попытка ответить на вопросы «почему»?

Глава 11. Что дает энергетический подход для теоретической биологии, или попытка ответить на вопросы «почему»? Многие вещи нам не понятны не потому, что наши понятия слабы, но потому, что сии вещи не входят в круг наших понятий. Козьма

Глава 2. Что такое энергетический обмен?

Глава 2. Что такое энергетический обмен? Как клетка получает и использует энергию Чтобы жить, надо работать. Эта житейская истина вполне приложима к любым живым существам. Все организмы: от одноклеточных микробов до высших животных и человека — непрерывно совершают

Перекисное окисление липидов (ПОЛ)

Перекисное окисление липидов (ПОЛ) Реакции ПОЛ являются свободнорадикальными и постоянно протекают в организме, также как и реакции образования АФК. В норме они поддерживаются на определенном уровне и выполняют ряд функций:1. индуцируют апоптоз (запрограммированную

Глава 16. Углеводы тканей и пищи – обмен и функции

Глава 16. Углеводы тканей и пищи – обмен и функции Углеводы входят в состав живых организмов и вместе с белками, липидами и нуклеиновыми кислотами определяют специфичность их строения и функционирования. Углеводы участвуют во многих метаболических процессах, но прежде

Глава 18. Обмен гликогена

Глава 20. Обмен триацилглицеролов и жирных кислот

Глава 20. Обмен триацилглицеролов и жирных кислот Приём пищи человеком происходит иногда со значительными интервалами, поэтому в организме выработались механизмы депонирования энергии. ТАГ (нейтральные жиры) – наиболее выгодная и основная форма депонирования энергии.

Глава 21. Обмен сложных липидов

Глава 21. Обмен сложных липидов К сложным липидам относят такие соединения, которые, помимо липидного, содержат и нелипидный компонент (белок, углевод или фосфат). Соответственно существуют протеолипиды, гликолипиды и фосфолипиды. В отличие от простых липидов,

Глава 23. Обмен аминокислот. Динамическое состояние белков организма

Глава 23. Обмен аминокислот. Динамическое состояние белков организма Значение аминокислот для организма в первую очередь заключается в том, что они используются для синтеза белков, метаболизм которых занимает особое место в процессах обмена веществ между организмом и

Глава 26. Обмен нуклеотидов

Глава 26. Обмен нуклеотидов Практически все клетки организма способны к синтезу нуклеотидов (исключение составляют некоторые клетки крови). Другим источником этих молекул могут быть нуклеиновые кислоты собственных тканей и пищи, однако эти источники имеют лишь

Глава 29. Водно-электролитный обмен

Глава 29. Водно-электролитный обмен Распределение жидкости в организмеДля выполнения специфических функций клеткам необходима устойчивая среда обитания, включая стабильное обеспечение питательными веществами и постоянное выведение продуктов обмена. Основу

Энергетический обмен в нервной ткани

Энергетический обмен в нервной ткани Характерными чертами энергетического обмена в ткани головного мозга являются:1. Высокая его интенсивность в сравнении с другими тканями.2. Большая скорость потребления кислорода и глюкозы из крови. Головной мозг человека, на долю

2.5. Биологическое окисление

2.5. Биологическое окисление Анализируя отдельные этапы клеточного метаболизма, всегда необходимо помнить, что он представляет собой единый, интегральный, взаимосвязанный механизм (Бохински Р., 1987). Процессы анаболизма и катаболизма происходят в клетке одновременно и

16. Обмен веществ и превращение энергии. Энергетический обмен

16. Обмен веществ и превращение энергии. Энергетический обмен Вспомните!Что такое метаболизм?Из каких двух взаимосвязанных процессов он состоит?Где в организме человека происходит расщепление большей части органических веществ, поступающих с пищей?Обмен веществ и

Источник

Биологическое окисление: суть процесса и его виды

Виды и стадии биологического окисления

Живые организмы не могут существовать без энергии. Ее требует каждый процесс, каждая химическая реакция. Получать энергию многие живые существа, в том числе и человек, могут с пищей. Стоит детально разобраться, откуда появляется энергия, и какие реакции протекают в это время в клетках живых организмов.

Значение биологического окисления и история его исследования

В основе получения энергии лежит процесс биологического окисления. Сейчас он изучен, создана даже целая наука, занимающаяся всеми тонкостями и механизмами процесса — биохимия. Биологическое окисление — это совокупность окислительно-восстановительных превращений веществ в живых организмах. Окислительно-восстановительными называют реакции, которые протекают с изменением степени окисления атомов вследствие перераспределения электронов между ними.

Первые предположения ученых о том, что внутри каждого живого организма протекают сложные химические реакции, были выдвинуты в XVI­II столетии. Изучением проблемы занимался французский химик Антуан Лавуазье, обративший внимание на то, что процессы горения и биологического окисления похожи друг на друга.

Ученый проследил путь кислорода, который поглощается живым организмом в процессе дыхания, и сделал вывод, что в организме происходит процесс окисления, напоминающий процесс горения, но протекающий более медленно. Лавуазье обнаружил, что молекулы кислорода (окислитель) взаимодействуют с органическими соединениями, содержащими углерод и водород. В результате происходит абсолютное превращение, при котором соединения разлагаются.

Некоторые моменты в процессе изучения проблемы оставались для ученых непонятыми:

Чтобы ответить на эти и многие другие вопросы, а также уяснить, что такое биологическое окисление, ученым потребовался не один год. К настоящему времени химиками были изучены: связь дыхания с другими процессами обмена веществ, в т.ч. процесс фосфорилирования. Кроме того, ученые исследовали свойства ферментов, катализирующих реакции биологического окисления; локализацию ферментов в клетке; механизм аккумуляции и преобразования энергии.

Здесь вы найдете безопасные эксперименты на исследование химических свойств белков, жиров и углеводов.

Биологическое окисление и его виды

При разных условиях возможны два вида биологического окисления. Многие грибки и микроорганизмы получают энергию, преобразовывая питательные вещества анаэробным способом. Анаэробное биологическое окисление – это реакция, происходящая без доступа и какого-либо участия в процессе кислорода. Такой способ получения энергии применим живыми организмами в среде, в которую не поступает воздух: в глине, под землей, в иле, на болоте, в гниющих субстанциях. Анаэробное биологическое окисление называют гликолизом.

Более сложный способ преобразования питательных веществ в энергию — аэробное биологическое окисление, или тканевое дыхание. Эта реакция осуществляется во всех аэробных организмах, использующих кислород в процессе дыхания. Аэробный способ биологического окисления невозможен без молекулярного кислорода.

Пути биологического окисления и участники процесса

Чтобы окончательно понять, что собой представляет процесс биологического окисления, следует рассмотреть его стадии.

Гликолиз — это беcкислородное расщепление моносахаридов, предшествующее процессу клеточного дыхания и сопровождающееся выходом энергии. Такая стадия является начальной для каждого организма-гетеротрофа. После гликолиза у анаэробов наступает процесс брожения.

Окисление пирувата заключается в преобразовании пировиноградной кислоты, получаемой в процессе гликолиза, в ацетилкоэнзим. Реакция происходит с помощью ферментного комплекса пируватдегидрогеназы. Локализация – кристы митохондрий.

Распад бета-жирных кислот осуществляется параллельно с окислением пирувата на кристах митохондрий. Цель – переработка всех жирных кислот в ацетилкоэнзим и постановка его в цикл трикарбоновых кислот.

Цикл Кребса: сначала ацетилкоэнзим превращается в лимонную кислоту, затем она подвергается последующим преобразованиям (дегидрированию, декарбоксилированию и регенерации). Все процессы несколько раз повторяются.

Окислительное фосфорилирование — заключительная стадия преобразования в организмах эукариот соединений. Осуществляется преобразование аденозиндифосфата в аденозинтрифосфорную кислоту. Необходимая для этого энергия поступает в процессе окисления молекул фермент-дегидрогеназа и кофермента дегидрогеназа, сформировавшихся в предыдущих стадиях. Затем энергия заключается в макроэргические связи аденозинтрифосфорной кислоты.

Таким образом, окисление веществ осуществляется такими способами:

В клетках живых организмов встречаются все перечисленные типы окислительных реакций, катализируемых соответствующими ферментами — оксидоредуктазами. Процесс окисления происходит неизолированно, он связан с реакцией восстановления: одновременно происходят реакции присоединения водорода или электрона, то есть осуществляются окислительно-восстановительные реакции. Процесс окисления — это каждая химическая реакция, которая сопровождается отдачей электронов с увеличением степеней окисления (окисленный атом имеет большую степень окисления). С окислением вещества может происходить и восстановление — присоединение электронов к атомам другого вещества.

Источник

Биологическое окисление

В процессе обмена веществ пищевые продукты (углеводы, липиды) подвергаются катаболизму.

Катаболизм – это процесс расщепления высокомолекулярных веществ до низкомолекулярных веществ, идущий с выделением энергии. В процессе катаболизма происходит упрощение структуры высокомолекулярных веществ.

Энергия, выделившаяся в процессе катаболизма, используется для синтеза новых веществ, т.е. в процессе анаболизма.

Взаимодействие превращения вещества и энергии называются метаболизмом.

Процессы окисления протекают в организме и вне организма. Эти процессы имеют сходства и различия.

Сходство между окислением в организме и вне организма.

Различия между окислением в организме и вне организма.

1. Вне организма энергия выделяется за счет окисления атомов углерода, а в организме за счет окисления атомов водорода.

Процесс окисления субстратов в биологических объектах называется биологическим окислением.

Тканевое дыхание – многоступенчатый ферментативный процесс, в котором конечным акцептором электронов является кислород.

В процессе тканевого дыхания участвую ферменты – оксидоредуктазы, образующие дыхательную цепь.

Дыхательная цепь – это комплекс оксидоредуктаз, участвующих в переносе протонов и электронов от окисляемого субстрата к кислороду.

Дыхательная цепь локализована в кристах митохондрий.

Строение дыхательной цепи.

Дыхательная цепь включает 4 группы ферментов:

1. Пиридинзависимые дегидрогеназы – коферментом является НАД, НАДФ.

2. Флавинзависимые дегидрогеназы – коферментом является ФАД, ФМН.

3. Коэнзим Q или убихинон.

4. Цитохромы b, c, a, a₃.

Цитохромы являются геминовыми белками, в качестве небелковой части содержат гем. В составе гема содержатся атом железа, который может изменять степень окисления с +3 до +2, присоединяя или отдавая электрон.

В составе дыхательной цепи выделяют два участка:

1. Участок, включающий пиридинзависимые дегидрогеназы – коэнзим Q обеспечивает перенос протонов и электронов. На уровне коэнзима Q протоны уходят в среду митохондрий, т.к. цитохромы по своему строению способны переносить только электроны.

2. Участок цитохромов, обеспечивающий перенос только электронов.

Основное значение цитохромной системы перенос электронов от окисляемого субстрата на молекулярный кислород с образованием воды:

Схема переноса электронов и протонов по дыхательной цепи.

По дыхательной цепи от окисляемого субстрата до кислорода передается 2 протона и два электрона.

Коферменты дыхательной цепи принимая протоны и электроны превращаются в восстановленную форму, а отдавая их снова превращается в окисленную форму.

Движущей силой, обеспечивающей перенос протонов и электронов от субстрата к кислороду, является разность редокс-потенциалов. В дыхательной цепи происходит нарастание редокс-потенциала (от –0,32 в до +0,81 в О₂)

Для синтеза одной макроэргической связи АТФ требуется перепад редокс-потенциалов между участками дыхательной цепи примерно в 0,22 в на пару перенесенных электронов.

Длина дыхательной цепи (количество ферментов) может быть различна и зависит от природы окисляемого субстрата.

Для клетки важно, чтобы молекула кислорода, присоединив 4 электрона, полностью восстановилась до двух молекул воды. При неполном восстановлении кислорода в случае присоединения двух электронов образуется перекись водорода, а в случае присоединения одного электрона – супероксидный радикал . Перекись водорода и супероксидный радикал токсичны для клетки, т.к. повреждают клеточные мембраны, взаимодействую с остатками ненасыщенных жирных кислот мембранных липидов.

Аэробные клетки защищают себя от действия перекиси и супероксида с помощью двух ферментов: супероксиддисмутазы и каталазы.

Пути использования энергии переноса электронов.

При переносе пары электронов происходит изменение свободной энергии и эта энергия используется по двум путям:

1. Энергия переноса электронов используется на синтез АТФ.

2. Энергия переноса электронов используется для выработки тепла.

При переносе пары электронов по дыхательной цепи происходит изменение свободной энергии, равная 52,6 ккал. Этой энергии достаточно для синтеза 3 молекул АТФ. Синтез трех молекул АТФ в стандартных условиях требует затраты ккал.

В трех пунктах переноса электронов происходит наибольшее изменение свободной энергии и эти пункты называются пунктами сопряжения тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования.

Окислительное фосфорилирование это процесс ресинтеза АТФ из АДФ и Фн, сопряженный с тканевым дыханием.

Пункты сопряжения находятся на участках:

3. ц а/а₃ О₂

Пункты сопряжения постоянны, но их количество зависит от природы окисляемого субстрата.

При окисления НАД – зависимых субстратов имеет место 3 пункта сопряжения, т.е. выделяется 3АТФ, при окислении ФАД – зависимых субстратов имеет место 2 пункта сопряжения и выделяется 3 АТФ, при окислении цитохромзависимых субстратов, количество АТФ, зависит от того, на какой цитохром сбрасываются электроны: при сбросе электронов на цитохром b выделяется 2АТФ в процессе окислительного фосфорилирования, а на цитохром с – 1АТФ.

Коэффициент фосфорилирования – это соотношение Р/О как показатель сопряжения дыхания и фосфорилирования.

Было установлено, что при поглощении одного атома кислорода (или при переносе пары электронов от субстрата к кислороду) поглощается не один атом неорганического фосфата, а примерно три т.е. коэффициент Р/О примерно равен 3. Т.е. в дыхательной цепи имеется как минимум три пункта сопряжения, где неорганический фосфат участвует в образовании АТФ.

Процесс биологического окисления может не сопровождаться синтезом АТФ.

Окисление, не сопровождающееся синтезом АТФ, называется свободным окислением. В этом случае энергия выделяется в виде тепла. Это может наблюдаться при действии токсинов и сопровождается повышением температуры тела.

Причины нарушения биологического окисления.

1. Недостаток субстратов окисления (углеводов, липидов, т.е. пищи).

2. Нарушение работы ферментов в дыхательной цепи:

1. Дефект апофермента (нарушен синтез белковой части фермента).

2. Дефект кофермента (нарушение синтеза коферментов из-зи недостатка витаминов В_2,В₅, К).

3. Недостаток кислорода.

4. Действие ингибиторов.

Аминобарбитал ингибирует перенос протонов и электронов на участке НАД/ФАД, окисление НАДзависимых субстратов прекращается.

Антимицин ингибирует перенос электронов на участке цитохром b, цитохром с.

Цианады ингибируют перенос электронов на участке цитохромоксидазы/кислород.

При большинстве физиологических состояний перенос электронов сопряжен с окслительным фосфорилированием.

Ряд соединений может вызвать разобщение тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования. Разобщителями этих процессов являются следующие соединения: 2,4 – динитрофенол, гормон щитовидной железы – тироксин, дикумарин и его производные, жирные кислоты.

Разобщение окислительного фосфорилирования и тканевого дыхания может быть биологически полезным. Разобщение представляет собой способ генерирования тепла для поддержания температуры тела у зимнеспящих животных и млекопитающих адаптированных к холоду. В качестве разобщителя выступают жирные кислоты, которые накапливаются в бурой жировой ткани. Такой бурый жир есть и у новорожденных детей, что позволяет поддерживать температуру тела при еще несовершенной системе терморегуляции.

У больных с гиперфункцией щитовидной железы отмечается повышение температуры тела, что обусловлено разобщением процессов тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования, вызванного тироксином.

При недостатке кислорода в тканях процесс тканевого дыхания затруднен и в тканях протекает субстратное окисление.

Субстратное окисление – это процесс окисления, при котором конечным акцептором электронов является субстрат, а не кислород.

Субстратное окисление – это аварийный источник получения энергии при недостатке кислорода.

Недостаток кислорода (гипоксия) возникает в организме при физической работе, при подъеме в горы, опускании под воду, при заболеваниях органов дыхания, сердечно-сосудистой системы и кроветворной системы.

Субстратное окисление энергетически менее выгодно, чем тканевое дыхание, т.к. редокс-потенциалы субстратов отличаются незначительно.

В организме наряду с окислительным фосфорилированием процессом, дающим энергию является субстратное фосфорилирование.

Субстратное фосфорилирование – это процесс образования макроэргических соединений за счет макроэргических связей субстрата.

Важнейшим макроэргическим соединением является АТФ.

Энергия макроэргических связей аккумулируется в ряде соединений: креатинфосфат, 1,3-дифосфоглицерат, ГТФ и др.

Тканевое дыхание Свободное окисление Субстратное окисление

фосфорилированием в виде тепла

Окислительное фосфорилирование Субстратное фосфорилирование

связано с мембранами митохондрий не связано с мембранами

Одно время пытались использовать некоторые разобщающие агенты для борьбы с ожирением за счет понижения эффективности синтеза АТФ. Но эти вещества оказались крайне токсичны, и потому от такого их применения отказались.

Ферменты ЦПЭ фиксированы в митохондриальной мембране и их действие характеризуется не только величиной, но и пространственной направленностью, т.е. действуют векторно.

Проявлением векторности является перенос ионов Н + с внутренней стороны мембраны (со стороны матрикса) на наружную. С НАДН электроны переходят на ФМН, а протоны освобождаются с внутренней стороны мембраны. Протоны, необходимые для восстановления ФМН, поступают из матрикса. На следующем этапе электроны с ФМН Н₂ переходят на убихинон, а протоны – в межмембранное пространство; убихинон получает протоны из матрикса и так далее. ЦПЭ работает как протонный насос, перекачивая ионы Н + из матрикса на наружную сторону мембраны. В результате по сторонам мембраны возникает разность концентраций протонов и одновременно разность электрических потенциалов со знаком + на наружной повехности.

Электрохимический потенциал заставляет протоны двигаться в обратном направлении – с наружной поверхности внутрь. Движение протонов идет по протонным каналам, где располагается АТФ-аза, катализирующая реакщию:

АТФ при участии транслоказы поступает из матрикса на наружную сторону мембраны, а затем в цитозоль.

Трансмембранный электрический потенциал – наружная мембрана заряжена положительно, а внутренняя – отрицательно.

Ионы Н + из окружающей среды по электрическому градиенту идут внутрь митохондрии и этот процесс сопровождается выделением свободной энергии, которая идет на синтез АТФ.

Обмен углеводов в организме человека складывается из следующих процессов:

1. Расщепление в желудочно-кишечном тракте до моносахаридов поступающих с пищей полисахаридов с пищей полисахаридов и дисахаридов. Всасывание моносахаридов из кишечника в кровь.

2. Синтез и распад гликогена.

3. Анаэробное окисление глюкозы. В тканях существует два основных пути распада глюкозы: анаэробный путь гликолиза, который идет без потребления кислорода, и аэробный путь прямого окисления глюкозы или пентозофосфатный путь.

4. Аэробный метаболизм пирувата, включающий окислительное декарбоксилирование пирувата и превращение ацетил-КоА в ЦТК.

5. Глюкогенез, т.е. образование углеводов из неуглеводных продуктов, таких как пируват, лактат, глицерин, аминокислоты.

Значение углеводов в организме:

1. Углеводы – это основной энергетический материал.

2. Углеводы выполняют пластическую функцию. К ним относятся пентозы нуклеотидов и гликопротеинов, гетерополисахариды межклеточного вещества.

3. Углеводы могут превращаться в липиды и некоторые аминокислоты.

Источником углеводов организма служат углеводы пищи – крахмал, сахароза и лактоза. Кроме того, глюкоза, может образовываться в организме из аминокислот, глицерина.

Углеводы пищи в пищеварительном тракте распадаются на мономеры. В переваривании принимают участие гидролазы.

Специфические гидролазы: мальтаза, сахараза, лактаза вырабатываются клетками кишечника и содержатся в кишечном соке.

Продукты полного переваривания углеводов – глюкоза, галактоза и фруктоза – через клетки кишечника поступают в кровь. При всасывании из кишечника в кровь моносахариды проникают через клеточные мембраны путем облегченной диффузии и с помощью активного транспорта. Активный транспорт обеспечивает перенос моносахаридов против градиента концентрации, и поэтому может функционировать тогда, когда концентрация глюкозы или галактозы в кишечнике невелика.

Важнейшие сахара через воротную вену проникают в печень, где идет превращение фру и гал в глю.

В процессе гликолиза происходит расщепление шестиуглеродной молекулы пирувата. Первые пять этапов составляют подготовительную стадию гликолиза. Продуктом первой стадии гликолиза является глицеральдегид-3-фосфат. Подготовительная стадия гликолиза служит для того, чтобы превратить углеродные цепочки всех метаболизируемых гексоз в один общий продукт – глицеральдегид-3-фосфат.

Вторая стадия гликолиза, состоящая тоже из 5 ферментативных реакций, сопровождается образованием энергии.

I. 1. Фосфорилирование глюкозы: реакция протекает необратимо, катализируется гексокиназой и требует затраты АТФ:

Необратимые реакции – это реакции, протекающие в прямом направлении под действием одного фермента, а в обратном под действием другого.

Связывание гексогеназы с гексозой происходит по типу индуцированного соответствия: молекула фермента претерпевает конформационные изменения. Активность гексокиназы ингибируется глю-6-фосфатом.

В печени присутсвует другая форма фермента – глюкокиназа. Глюкокиназа специфична в отношении D-глюкозы. Глюкокиназа печени действует при возрастании концентрации глюкозы, например после приема пищи, богатой углеводами.

Гликолиз включает химические превращения 3 разных типов:

1. Распад углеродного скелета глюкозы с образованием пирувата (путь атомов углерода).

2. Фосфорилирование АДФ высокоэнергетическими фосфорилированными содинениями с образованием АТФ (путь фосфатных групп).

3. Перенос водородных атомов или электронов.

Ферменты, катализикующие гликолиз, локализованы в цитозоле.

Ферменты, катализирующие те этапы окисления углеводов, которые требуют присутствия О₂, локализируются в митохондриальных мембранах.

В этих условиях глюкокиназа действует на избыточную глюкозу крови и переводит ее в глюкозо-6-фосфат для отложения в запас в виде гликогена.

В мышечной ткани глюкокиназа отсутствует.

2.Превращение глю-6-ф во фру-6-ф

3. фосфорилирование фру-6-ф во фру-1,6-дф

4. Расщепление фру-1,6-дф на триозы:

В дальнейших превращениях принимает участие глицеральдегид-3-ф, который образуется в результате изомеризации дигидроксиацетонфосфата:

Дигидроксиацетонфосфат глицеральдегид-3-фосфат

В количественном отношении больше образуется дигидроксиацетонфосфата.

II. На второй стадии гликолиза запасается энергия.

Из одной молекулы глю образуется две молекулы глицеральдегид-3-фосфата, которые участвуют в дальнейших превращениях.

1. Окисление глицеральдегид-3-фосфата до 1,3-фосфоглицероилфосфата: дифосфоглицериновая кислота (гликолитическая оксидоредуктация)

СНОН фосфатдегидрогеназа CHOH

| |

2. Образование 3-фосфоглицерата:

3. Образование 2-фосфоглицерата:

4. Образование фосфоенолпирувата – субстратное фосфорилирование:

Высокоэнергетическое фосфорилированное соединение фосфоенолпируват.

5. Образование пирувата:

Дальше процесс идет в зависимости от наличия или отсутствия кислорода в клетке.

При анаэробных условиях, например в напряженно работающих скелетных мышцах. Пируват превращается в лактат:

В этих условиях образовавшийся при гликолизе НАДН регенерируется за счет пирувата, d восстанавливается до лактата.

С накоплением лактата в скелетных мышцах связано возникновение чувства усталости. ЛДГ представлена 5 различными изоферментами. ЛДГ сердечной мышцы характеризуется низкой К_m для пирувата, а ЛДГ мышечной ткани имеет более высокую величину К_m для пирувата.

Глю + 2АДФ + 2Фн 2Лак + 2 АТФ

При анаэробном гликолизе образуется 4 молекулы АТФ, но выделяется только 2 молекулы, т.к. 2 молекулы АТФ затрачиваются в процессе фосфорилирования.

Значение анаэробного гликолиза :

Окисление глю в условиях недостатка кислорода в тканях позволяет получить энергию клеткой при гипоксии, которая может быть вызвана физической нагрузкой, а также нарушениями со стороны сердечно-сосудистой и дыхательной систем. При ИБС наблюдается анаэробный гликолиз, т.к. нарушается при дефиците О₂ работа дыхвтельной цепи, а следовательно окисление глю и жирных кислот, которые является главнейшими источниками энергии.

II. При достаточном содержании О₂ в клетке глю окисляется до конечных продуктов – СО₂, Н₂О и этот процесс называется аэробным окислением глю.

Конечным продуктом аэробного гликолиза является пируват, а энергетический баланс складывается из 3 молекул АТФ образовавшихся в результате субстратного фосфорилирования и остается еще 2 молекулы восстановленного НАДН, от концентрации которого зависит активность процесса. Для продолжения процесса необходим сброс Н₂ на ферменты дыхательной цепи, но сама молекула НАДН через мембрану митохондрий проникнуть не может, для этого используются переносчики и перенос осуществляется с помощью 2-х механизмов:

1. Глицерофосфатный челночный механизм;

2. Малатно-аспартатный челночный механизм.

Глицерофосфатный челночный механизм.

Цитоплазма	Митохондрии

Малатный челночный механизм.

Цитоплазма	Митохондрии

В процессе гликолиза образуется восстановленная форма НАДН, которая не может непосредственно передавать водород на дыхательную цепь, т.к. митохондриальная мембрана непроницаема для НАДН. Перенос водорода с цитозольного НАДН в митохондрии происходит при участии специальных механизмов, называемых челночными. Суть механизмов сводится к тому, что НАДН в цитозоле восстанавливает какое-то соединение, способное проникать в митохондрию; в митохондрии это соединение окисляется, восстанавливая внутримитохондральный НАД, и вновь переходит в цитозоль.

Баланс аэробного гликолиза :

1. Анаэробный гликолиз – субстратное фосфорилирование – 2АТФ

Глю 2пир

2. 2Пир 2 СН₃СОSKoА – окислительное декарбоксилирование 2 НАДН- 6АТФ

4. ЦТК 2 СН₃СОSKoА СО₂ 24 АТФ

Н₂О

Включение в гликолиз других моносахаридов.

В гликолиз вовлекаются, кроме глюкозы и другие моносахара. Такие как D-фруктоза, манноза и галактоза.

Фруктоза и манноза фосфорилируются с помощью неспецифической гексокиназы с образованием фруктозо-6-фосфата и является метаболитом гликолиза. Маннозо-6-фосфат изомеризуется фосфоманнозоизомеразой во фруктозо-6-фосфат.

Имеется и другой путь включения фруктозы в гликолиз. Фруктоза под действием фруктокиназы печени превращается во фруктозо-1-фосфат, а под действием альдолазы расщепляется на дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегид.

Галактоза сначала также фосфорилируется в печени с помощью галактокиназы: D-галактоза + АТФгалактозо-1-Ф +АДФ Затем галактозо-1-фосфат превращается в глюкозо-1-фосфат. Для этой реакции изомеризации необходимы уридиндифосфат-глюкоза (УДФ-глюкоза) и фермент галактозо-1-фосфат-уридилтрансфераза:

Галактозо-1-фосфат + УДФ-глюкозоУДФ-галактоза + глюкозо-1-фосфат

Глюкозо-1-фосфат подключается к гликолизу, а УДФ-галактоза превращается в УДФ-глюкозу с помощью УДФ-глюкозо-эпимеразы.

Пентозофосфатный (апотамический) путь окисления глюкозы.

Большая часть глюкозы расщепляется в тканях по гликолитическому пути с образованием пирувата. В свою очередь большая часть пирувата окисляется через цикл лимонной кислоты. Главный смысл расщепления глюкозы в процессе гликолиза заключается в обеспечении клетки энергией в форме АТФ. Наряду с этим существуют, однако, и другие пути катаболизма глюкозы, имеющие специальное назначение. На этих путях вырабатываются особые продукты, в d нуждается клетка.

Пентозофосфатный или фосфоглюконатный путь является источником в организме специальных продуктов:

1. НАДФН, d используется как источник восстановительных эквивалентов в процессах биосинтеза жирных кислот, стероидов.

2. Рибозо-5-фосфата (пентозы), d используется для синтеза нуклеиновых кислот.

По другому вторичному пути катаболизма глюкозы в животных тканях образуются два специализированных продукта: D-глюконат, важная роль которого связана с обезвреживанием и выведением из организма чужеродных органических веществ, и L-аскорбиновая кислота (витамин С).

Реакции пентозофосфатного пути протекают в цитозоле.

Взаимосвязь пентозного пути и гликолиза.

Глюкоза как моносахарид свободно диффундирует через мембрану печеночных клеток, она не может служить резервом углеводородов в печени. Так как фосфатные эфиры глюкозы и фруктозы не столь легко проникают через мембраны, фосфорилирование этих сахаров создает как бы ловушку для них, эффективно изолируя реакции гликолиза и фосфоглюконатного пути в пределах внутриклеточного отсека. Тем не менее фосфаты сахаров не могут накапливаться в больших количествах в печени, так как благодаря осмосу увеличение их запасов будет сопровождаться накоплением больших количеств воды.

В печени происходит превращение избытка углеводов в нерастворимый полимер – гликоген. Эта резервная форма глюкозы может составлять одну десятую всей массы печени. При голодании запас гликогена почти полностью истощается.

Обмен гликогена включает в себя 2 процесса: гликогенез или синтез гликогена и гликогенолиз или распад гликогена.

Гликогенез – синтез гликогена – это анаболический процесс, требующий затраты энергии в форме как АТФ, так и уридинтрифосфата (УТФ). Исходным источником для синтеза гликогена является глю, d под действием глюкокиназы превращается в глю-6-фосфат.

Затем глю-6-ф превращается в глю-1-ф. В процессе активации глю-1-ф участвуют уридиннуклеотиды. В ходе этого процесса два концевых фосфорных остатка УДФ освобождаются в виде неорганического пирофосфата, остаток УМФ соединяется с глю-1-ф, образуя УДФ-глюкозу.

Источником глю при синтезе гликогена является УДФ-глю, d образуется из глюкозо-1-ф и УТФ:

Глю-1-ф + УТФ УДФ=глю + Н₄Р₂О₇

На следующей стадии происходит перенос остатка глю с УДФ-глю на затравку гликогена с помощью гликогенсинтетазы:

УДФ-глю + (глю)_nУДФ +(глю)_n+1

Гликогенсинтетаза катализирует образование только -1,4-гликозидных связей. «Ветвящий» фермент образует -1-6 гликозидные S (точки ветвления).

Гликогенолиз – распад гликогена идет путем фосфоролиза.

Биосинтез углеводов.

Гликолиз, пентозофосфатный путь, гликгенолиз – это катаболические пути, которые сходятся в цикле лимонной кислоты, чтобы передать свои богатые энергией электроны в дыхательную цепь. Перемещаясь по дыхательной цепи к кислороду, эти электроны поставляют энергию для синтеза АТФ. Теперь нам предстоит рассмотреть анаболические пути. На этих путях химическая энергия в форме АТФ и НАДФН используется для синтеза клеточных компонентов из простых предшественников.

Организационные принципы биосинтеза.

1. Пути биосинтеза и пути расщепления тех или иных биомолекул, как правило, не идентичны. Эти пути могут включать какую-нибудь общую обратимую реакцию или даже несколько таких реакций, но у них всегда имеется хотя бы одна ферментативная стадия, по которым они различаются.

2. Биосинтетические пути и соответствующие им катаболические пути контролируется разными регуляторными ферментами. Обычно регуляция соответствующих биосинтетических и катаболитических путей осуществляется координированным образом, реципрокно, так что стимулирование биосинтетического пути сопровождается подавлением катаболитического пути и наоборот. Кроме того, биосинтетические пути регулируются обычно на одном из первых этапов. Это избавляет клетку от непроизводительных трат: она не расходует предшественники на синтез тех промежуточных продуктов, которые ей не понадобятся.

3. Требующие затраты энергии биосинтетические процессы обязательно сопряжены с поставляющем энергию расщеплением АТФ, вследствие чего весь процесс в целом является практически необратимым, точно также как в целом необратим катаболизм. Таким образом, общее количество АТФ (или НАДН), используемое на данном биосинтетическом пути, всегда превосходит то минимальное количество свободной энергии, которое требуется для превращения предшественника в биосинтетический продукт.

Центральным биосинтетическим путем является образование глюкозы из неуглеводных предшественников. У всех высших животных и человека биосинтез глюкозы абсолютно необходимый процесс. Глюкоза крови служит единственным или главным источником энергии для нервной системы (в том числе и для мозга), а также для почек, семенников, эритроцитов и для всех тканей эмбриона. У человека один только мозг потребляет 120 г глюкозы в сутки.

Образование глюкозы из неуглеводных предшественников называется глюконеогенезом (образование нового сахара).

В процессе глюконеогенеза глюкоза синтезируется из лактата, пирувата, глицерола, и большинства аминокислот, из промежуточных продуктов цикла лимонной кислоты.

Глюконеогенез протекает в печени и значительно менее интенсивно – корковом веществе почек.

При гликолизе глю превращается в пируват, при глюконеогенезе пируват превращается в глюкозу. Глюконеогенез это не обращение гликолиза, т.к. в гликолизе есть 3 необратимые стадии, катализируемые гексокиназой, фосфофруктокиназой и пируваткиназой.

Пути глюконеогенеза обходят эти 3 необратимые реакции гликолиза при помощи следующих новых этапов:

1. Фосфоенолпируват ббразуется из пирувата через оксалоацетат.

Первый этап в обходной последовательности реакций катализируется митохондриальной пируваткарбоксилазой. Этот биотинзависимый фермент катализирует образование оксалоацетата из пирувата:

Пируват + СО₂+АТФоксалоацетат+АДФ+Рн

Пируваткарбоксилаза – регуляторный фермент; в отсутствии ацетил-КоА который служит для нее положительным регулятором, она почти полностью лишена активности.

Оксалоацетат, образующийся в митохондриях из пирувата обратомо восстанавливается за счет НАДН с образованием малата:

Митох. НАДН+Н + + Оксалоацетат НАД+малат

Малат из митохондрий поступает в цитозоль. В цитозоле малат под действием цитозольной НАД-зависимой малатдегидрогеназы превращается в оксалоацетат:

Цитозоль Малат + НАД + Оксалоацетат+ НАДН+Н +

Дальше оксалоацетат под действием фосфоенолпируваткарбоксикиназы превращается в фосфоенолпируват:

Оксолоацетат+ГТФФЭП+СО₂ +ГДФ

Донором фосфата в этой реакции служит ГТФ – гуанозинтрифосфат.

2. Вторая реакция гликолиза, которая не может использоваться для глюконеогенеза – это реакция фосфорилирования фру-6-ф, катализируемая фосфофруктокиназой.

В глюконеогенезе действует обходной путь с участием фруктозодифасфатазы, которая катализирует необратимый гидролиз фру-1,6-дф с образованием фру-6-ф

Фру-1,6-дф фру-6-ф

3. Третьей обходной реакции в синтезе глюкозы является дефосфорилирование глю-6-ф с образованием глю.

Дефосфорилирование осуществляется под действием глюкозы-6-фосфатазы:

Глю-6-фглю

Глюконеогенез требует значительных затрат энергии. Стадии глюконеогенеза, требующие затрат энергии:

Пир + СО₂ + АТФоксалоацетат + АДФ + Фн

Оксалоацетат + ГТФФЕП + СО₂ + ГДФ

3ФГК1,3ФГК

На каждую молекулу глю потребуется 6 высокоэнергетических фосфатных групп – 4 от АТФ и 2 от ГТФ.

Кроме того, для восстановительных этапов требуется 2 молекулы НАДН:

1,3 ДФГК + НАДН + Н + 3ФГА + НАД +

2Пир + 4 АТФ + 2 ГТФ + 2 НАДН + 2 Н + + 4 Н₂О Глю + 2 НАД + + 4 АДФ + 2 ГДФ + 6 Рн

Главную роль из метаболитов ЦТК, используемых в глюконеогенезе играют: цитрат, изоцитрат, -кетоглутарат, сукцинат, фумарат, малат.

Важно отметить, что в норме ацетил-КоА не используется как предшественник глю, так как он не может превратиться в пируват.

В глюкозу могут превращаться глюкогенные аминокислоты: аланин, глутамат, аспартат, которые превращаются соответственно в пируват, оксалоацетат и -кетоглутарат:

Превращаются в пир: ала, сер, цис, гли

Превращаются в оксалоацетат: асп, асн

Превращаются в сукцинил-КоА: вал, тре, мет

Превращаются в -кетоглутарат: глу, глн, про, арг, гис.

Поставляют атомы углерода для синтеза глю и кетоновых тел: фен,тир, изолей, лиз, три

Синтез глю из малых молекул предшественников идет в период после восстановления после мышечной нагрузки, например после бега на сто метров. В этом случая в качестве источника энергии служит гли, который окисляется с образованием лак и выделением АТФ. Т.к. кислорода в тканях не хватает, лактат не может подвергаться дальнейшим превращениям и поступает в кровь.

Закончивший стометровку спринтер в начале дышит тяжело, но постепенно его дыхание выравнивается и становится нормальным. К этому периоду возвращается к норме и содержание лак. За время восстановления (до 30 мин) лактат удаляется из крови в печень и превращается в процессе гликонеогенеза в глю крови. Глю крови возвращается в мышцы:

Алкоголь тормозит глюконеогенез.

Потребление больших количеств алкоголя резко тормозит глюконеогенез в печени, вследствие чего понижается содержание глю в крови, т.е. возникает гипогликемия. Это особенно сказывается после тяжелой физической нагрузки и на голодный желудок, уровень глю может понизиться до 40 и даже 30% от нормы. Гипергликемия не благоприятно сказывается на функции мозга. Она особенно опасна для тех областей мозга, которые контролируют температуру тела. Температура тела может понизиься на 2 0 С. Старый обычай, предписывающий давать спасенным на море или в пустыне голодным или обессилившим людям водку, физиологически неоправдан и даже опасен; в таких случаях следует давать глю.

Окислительное декарбоксилирование пирувата.

Протекает в митохондриальном матриксе и связывает гликолиз с циклом трикарбоновых кислот.

Превращение пирувата в ацетил-КоА является необратимым процессом и катализируется пируватдегидрогеназным комплексом. Пируватдегидрогеназный комплекс состоит из трех ферментов и содержит пять коферментов: НАД, ФАД, ТПФ, амид липоевой кислоты, СоА. Этот процесс включает 4 реакции, суммарное уравнение записывается так:

Цикл трикарбоновых кислот.

Цикл начинается с конденсации оксалоацетата (ЩУК) с ацетил –КоА с образованием цитрата и КоА. Реакция катализируется цитратсинтетазой. Далее цитрат изомеризуется в изоцитрат, через стадию образования цис-аконитата. Изоцитрат под действием изоцитратдегидногеназы превращается в -кетоглуторат (2-оксоглутарат). Коферментом изоцитратдегидрогеназы является НАД. Дальше -кетоглутарат под действием -кетоглутаратдегидрогеназного комплекса, содержащего НАД, ФАД, КоА, ТПФ и амид липоевой кислоты в качестве коферментов, превращается в сукцинил-КоА. На этом этапе происходит окислительное декарбоксилирование. В сукцинил-КоА имеется связь богатая энергией. При гидролизе сукцинил-КоА образуется около 8 ккал/моль, что сравнимо с величиной энергии, необходимой для синтеза АТФ (

Расщепление тиоэфирной связи сукцинил-КоА сопряжено с фосфорилированием гуанозиндифосфата (ГДФ). Это реакция субстратного фосфорилирования, дающая 1моль АТФ. Это единственная реакция ЦТК, приводящая к образованию высокоэнергетической фосфатной связи. С циклом Кребса сопряжено окислительное фосфорилирование, где образование АТФ сопряжено с окислением НАД или ФАД под действием кислорода.

Затем сукцинат под действием сукцинатдегидрогеназы, содержащей ФАД в качестве кофермента превращается в фумарат. На следующей стадии фумарат подвергается реакции гидратации с образованием малата (яблочной кислоты). Малат под действием НАД-зависимой малатдегидрогеназы превращается в оксалоацетат. Следовательно, в цикле происходит регенерация оксалоацетата, что обеспечивает функционирование ЦТК.

3 НАДН и ФАДН₂, образующиеся в цикле трикабоновых кислот, окисляются в дыхательной цепи (или в цепи переноса электронов). Генерирование АТФ происходит при транспорте электронов от этих переносчиков на О₂. На каждую молекулу НАДН в митохондриях образуется 3 АТФ, а на молекулу ФАДН₂ – 2 молекулы АТФ. Следовательно, в процессе окислительного фосфорилирования образуется 11 АТФ.

Молекулярный кислород непосредственно не участвует в цикле трикарбоновых кислот. Однако цикл функционирует лишь в аэробных условиях поскольку НАД + и ФАД в митохондрии могут генерироваться только при переносе электронов на молекулярный кислород.

1. * Цикл Кребса – основной путь расщепления обеспечивающий генерирование АТФ.

2. Амфиболическая – двойственная функция.

Катаболическая – распад ацетильных остатков

Анаболическая – субстраты цикла Кребса используются для синтеза.

3. Энергетическая функция – 1 АТФ

4. Водороддонорная функция – регенератор водорода для дыхательной цепи.

* Интегративная функция – объединение обмена углеводов, липидов и белков.

Патология обмена углеводов.

Нарушения обмена глюкозы проявляются в виде гипергликемии, глюкозурии и гипогликемии. Особую форму представляют нарушениями энергетического обмена при гипоксических состояниях.

Гипергликемия характеризуется повышением уровня глюкозы свыше 6 ммоль/л. Различают физиологические и патологические гипергликемии. К физиологическим гипергликемиям относятся алиментарные, возникающие при одномоментном приеме больших количеств углеводов, и нейтрогенные, например, при стрессовых ситуациях в результате выброса в кровь больших количеств адреналина. Физиологические гипергликемии носят транзиторный характер и быстро проходят.

Патологические гипергликемии обусловлены нарушением оптимального соотношения между секрецией гормонов гипо- и гипергликемического действия. Наиболее распространенное причина патологической гипергликемии – сахарный диабет, связанный с недостатком секреции инсулина поджелудочной железой. Кроме сахарного диабета гипергликемия сопутствует также заболеваниям гипофиза, сопровождающимся повышенной секрецией соматотропного гормона и АКТГ (акромегалия, опухоли гипофиза), опухолями мозгового слоя надпочечников, при которых усилено образование катехоламинов и коркового слоя надпочечников с усиленной продукцией глюкокортикоидов, гиперфункции щитовидной железы, некоторым болезням печени (инфекционный гепатит, цирроз печени).

Сахарный диабет – связан с недостаточностью инсулина, вырабатываемого -клетками поджелудочной железы. Развитию сахарного диабета способствует избыточное потребление углеводов и жиров, малоподвижный образ жизни, стрессовые ситуации.

В основе сахарного диабета лежат следующие молекулярные дефекты:

1. Нарушение превращения проинсулина в инсулин в результате мутаций, затрагивающих аминокислотные остатки в участке соединения А-цепи (или В-цепи) с С-пептидом в проинсулине. У таких больных в крови высокое содержание проинсулина, лишенного гормональной активности.

2. Нарушение молекулярной структуры инсулина. Замена фен на лей сопровождается снижением гормональной активности в 10 раз.

3. Дефект рецепторов инсулина. У ряда больных секретируется нормальный инсулин, но нарушено его связывание с клетками-мишенями в результате дефекта рецепторов инсулина в плазматических мембранах.

4. Нарушение сопряжения рецепторов инсулина. У ряда больных секретируется нормальный инсулин, клетки-мишени содержат обычное количество рецепторов, но отсутствует сопряжение между инсулин-рецепторным комплексом и следующим компонентом в цепи передачи гормонального сигнала.

Важнейшими биохимическими признаками сахарного диабета являются:

1. Гипергликемия. В результате недостатка инсулина нарушается проникновение глюкозы в ткани и глюкоза накапливается в крови. В ответ на дефицит глюкозы в клетках печени усиливается распад гликогена и выход свободной глюкозы в кровь, что усугубляет гипергликемию. Возникает возможность развитие гипергликемической комы.

2. Глюкозурия и полиурия. Когда содержание глюкозы в крови превышает способность почечных канальцев к реабсорбции глюкозы она выделяется с мочой. Вместе с глюкозой выделяется много воды и больной испытывает голод и жажду.

3. Кетонемия и кетоурия. Вследствие дефицита глюкозы в тканях клетки начинают использовать в качестве энергии жиры. При -окислении жирных кислот образуется Ацетил-КоА, который не сгорает с ЦТК полностью и из него синтезируются кетоновые тела: ацетоуксустная, -оксимасляная кислоты и ацетон. Увеличение концентрации кетоновых тел в крови – кетонемия и выведение кетоновых тел с мочой – кетонурия.

4. Нарушение кислотно-щелочного равновесия с развитием кетоацидоза.

Кетоновые тела сдвигают рН крови и тканевой жидкости в кислую сторону. Вначале буферные системы компенсируют сдвиг рН – компенсированный ацидоз. При тяжелых состояниях может возникнуть некомпенсированный ацидоз.

Методы диагностики сахарного диабета.

1. Определение глюкозы крови натощак.

2. Метод сахарной нагрузки (тест толерантности к глюкозе).

3. Диагностика неотложных состояний – определение глюкозы и ацетона в моче с помощью диагностических бумажных полосок – глюкотест и кетотест.

Метод сахарной нагрузки.

У больного берут кровь натощак, затем дают выпить сироп, содержащий 50г глюкозы в 200-250 мл воды. Далее через 30, 60, 150’ берут кровь и проводят определение глюкозы. У здорового человека (1) исходное содержание сахара в крови нормальное ( Особенности обмена глюкозы в клетках опухали.

В клетках опухоли отмечается повышенная активность гексокиназы, что приводит к быстрому поглощению и окислению глюкозы. Опухолевая клетка является насосом, который выкачивает глюкозу из кровотока. В условиях быстро растущей опухоли система кровеносных сосудов отстает от роста опухоли и в таких клетках протекает анаэробный гликолиз, который и дает энергию для роста клеток. Выход энергии при анаэробном гликолизе составляет 2 моль АТФ и поэтому процесс должен идти с большой скоростью, чтобы обеспечить клетки опухоли энергией. Вследствие быстрого окисления глюкозы возникает гипогликемия. Возникновение гипогликемии вызывает ускорение глюконеогенеза и глюкоза начинает синтезироваться из аминокислот. Следствием синтеза глюкозы из аминокислот является падение веса у больных и развивается раковая кахексия.

1. Мембранная гексокиназа – работает как насос.

3. Анаэробный гликолиз.

4. «Принудительный» глюконеогенез.

5. Раковая кахексия.

Гликогенозы – наследственные заболевания, характеризующиеся избыточным отложением гликогена.

Гликогеноз I типа (болезнь Гирке) характеризуется дефектом фермента глюкозо-6-фосфатазы.

Признаки гликогеноза: низкий уровень глюкозы натощак в крови, в тяжелых случаях судороги, замедление роста в результате подавления выработки инсулина. Накопление гликогена из-за большого количества глюкозо-6-фосфата и активации гликогенсинтетазы. Увеличение печени, гибель гепатоцитов, низкий рост, ацидоз (лактат, пирват).

Гликогеноз VI типа (болезнь Херса).

Дефект фосфорилазы. Накопление гликогена, характерны симптомы I типа, но менее выражены (глюкоза в кровь поступает).

Гликогеноз V типа – дефект или отсутствие фосфорилазы в мышцах. Мышечные судороги при физической нагрузке, мышечноя слабость, отсутствие гипогликемии. Синтез АТФ увеличивается за счет окисления жирных кислот.

Гликогеноз VII типа – дефект только фосфофруктосинтетазы. Переносят только умеренные физические нагрузки. Развивается гемолитическая анемия.

Гликогеноз III типа (болезнь Кори) – дефект или отсутствие гликоген-6-глбконогидролазы. Увеличение содержания гликогена в печени. Гликоген состоит из коротких цепей.

Гликогеноз IV (болезнь Андерсона) – недостаток «ветвящего» фермента. Накопление гликогена с аномально длинными цепями. Развивается цирроз печени.

Агликогеноз – дефект гликогенсинтетазы. Отсутствие гликогена или его очень мало, судороги, гипогликемия.

Гликолиз в эритроцитах и транспорт кислорода связаны участием в обеих процессах 2,3-дифосфоглицерата. 2,3-дифосфоглицерат снижает сродство гемоглобина к кислороду и облегчает освобождение О₂ в тканях.

1. При дефекте гексокиназы снижается концентрация промежуточных продуктов гликолиза, в том числе снижается концентрация 2,3-дифосфоглицерата. В таких эритроцитах гемоглобин обладает очень высоким сродством с О₂. Наступает гемолиз эритроцитов, когда гемоглобин плохо обдает О₂.

2. При дефекте пируваткиназы нарушается энергетический обмен и мембрана не получает энергию, необходимую для ионного обмена и наряду с этим образуется избыток 2,3-дифосфоглицерата и связь с О₂ становится слабой, сродство гемоглобина к О₂ становится низким.

Глю Глю-6-фФру-6-фФру-1,6-дф3ФГА

1,3-ДФГК3-ФГК2-ФГКФЭППирЛак

2,3-ДФГК снижает сродство Hb к О₂

Недостаточность глюкозо-6-фосфотдегидрогеназы – причина лекарственной гемолитической анемии.

У ряда больных малярией применение противомалярийного препарата памахина сопровождается гемолитической анемией. Через 30 лет после начала применения препарата была выяснена причина анемии. Было установлено, что возникновение анемии связано с недостаточностью глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы в эритроцитах. В результате недостаточности фермента нарушается образование НАДФН в пентозофосфатном пути. Главная роль НАДФН в эритроцитах состоит в восстановлении дисульфидной формы глутатиона в сульфгидрильную форму.

Г-S-S-Г + НАДФН + Н + Г-SH +НАДФ +

Восстановленная форма глутатиона обеспечивает обезвреживание перекиси и органических перекисей:

2 Г-SH + R-O-OHГ-S-S-Г + Н₂О + ROH

Клетки со сниженным содержанием восстановленного глутатиона обладают повышенной чувствительностью к гемолизу. Возможно, что в отсутствие восстановленного глутатиона памахин и ряд других лекарственных препаратов, вызывают изменения поверхности мембраны эритроцитов за счет образования токсических перекисей.

Недостаточность глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы в эритроцитах, по-видимому, обуславливает устойчивость к тропической малярии, т.к. для роста возбудителя необходим нормально функционирующий пентозный путь и восстановленный глутатион. Дефект фермента распространен в тех странах, где распространена малярия. Такая наследуемая недостаточность фермента может быть относительно безвредной, до тех пор, пока не вводятся определенные лекарства.

Особенности обмена углеводов в различных органах и тканях.

1. Обмен углеводов в печени.

Одной из важнейших функций печени в процессах обмена веществ является ее участие в поддержании постоянного уровня глюкозы в крови (глюкостатическая функция): глюкоза, поступающая в избытке, превращается в резервную форму, которая используется в период, когда пища поступает в ограниченном количестве.

Гликолиз обеспечивает энергией клеточные реакции фосфорилирования, синтез белка; пентозофосфатный путь служит источником энергии восстановления для синтеза жирных кислот, стероидов.

При аэробных условиях происходит сочетание гликолиза, протекающего в цитоплазме и цикла лимонной кислоты с окислительным фосфорилированием в митохондриях достигается максимальноый выход энергии в 38 АТФ на 1 моль глюкозы. Фосфотриозы, образующиеся в процессе гликолиза, могут быть использованы для синтеза -глицерофосфата, необходимого для синтеза жиров. Пируват, который образуется при гликолизе, может быть использован для синтеза аланина, аспартата и других соединений, через стадию образования оксалоацетата. В печени реакции гликолиза могут протекать в обратном направлении и тогда происходит синтез глюкозы путем глюконеогенеза. В пентозофосфотном пути образуются пентозы, необходимые для синтеза НК. В отличие от гликолиза фосфоглюконатный путь необратим и здесь окисляется 1/3 глюкозы, 2/3 глюкозы окисляются по гликолитическому пути.

В печени протекают гликогенез и гликогенолиз. Эти процессы взаимосвязаны и регулируются как внутри – так и внеклеточными соотношениями между поступлением и потреблением глюкозы.

Роль печени в обмене углеводов.

Обмен углеводов в мышцах.

Печень учитывает запросы других органов и тканей в отношении углеводного обмена. В мышцах углеводный обмен происходит в соответствии с принципом самообслуживания.

Цель мышечной клетки – наиболее эффективно использовать поступающую глюкозу для образования АТФ, необходимого для осуществления механической работы – сокращения. В состоянии покоя значительные количества глюкозы резервируются в форме гликогена. Цитоплазма мышечных клеток содержит в высоких концентрациях ферменты гликолиза, а изобилие митохондрий обеспечивает эффективный распад продуктов гликолиза через путь лимонной кислоты и цепь переноса электронов. Лишь в условиях крайнего утомления эти аэробные процессы е справляются с накоплением лактата.

Обмен углеводов в мышцах обеспечивает создание тканевых запасов гликогена в состоянии покоя и использование этих запасов, а также поступающей глюкозы при напряженной работе; основные энергетические потребности всех типов мышц удовлетворяются главным образом за счет окисления продуктов обмена жиров. Ни медленно сокращающаяся гладкая мышечная ткань, ни сердечная мышца не потребляют глюкозу в значительной мере. Во время напряженной работы сердце обеспечивает себя лактатом для окисления.

Обмен углеводов в мышце.

Фосфорилирование глюкозы в мышцах происходит под дейстием гексокиназы, в печени этот процесс катализируется глюкокиназой. Эти ферменты отличаются по Кm. Кm гексокиназы значительно ниже Кm глюкокиназы. Фермент мышц – гексокиназа участвует во внутриклеточной регуляции, т.е. этот фермент будет фосфорилировать глюкозу только до тех пор, пока

Источник