Аэробная стадия превращений углеводов

При адекватном снабжении тканей кислородом НАД-Н₂ передает отщепленные в реакциях превращения фосфоглицеринового альдегида два атома водорода (два протона и два электрона) в дыхательную цепь, в конце которой они соединяются с кислородом с образованием воды. Процесс переноса водорода по дыхательной цепи сопровождается освобождением энергии, за счет которой ресинтезируется три молекулы АТФ. При неадекватном снабжении тканей кислородом по аэробному пути расщепляется только часть углеводов.

В ходе аэробных превращений пировиноградная кислота (ПВК) подвергается преобразованиям, завершающимся в цикле трикарбоновых кислот (ЦТКК). На первом этапе этих превращений ПВК подвергается окислительному декарбоксилированию и преобразуется в ацетил-К_оА – активную форму уксусной кислоты под действием мультиферментного комплекса. Каждый из ферментов этого комплекса катализирует определенную стадию этого этапа превращений. При этом ПВК взаимодействует с коферментом А (К_оА), подвергается окислению НАД-зависимой дегидрогеназой и декарбоксилированию. Декарбоксилирование приводит к потере пировиноградной кислотой своей карбоксильной группы. Итоговое уравнение этой реакции можно представить следующим образом (рис. 35):

Пировиноградная Ацетил К_оА

кислота

 

Рис.35. Схема превращения пировиноградной кислоты в ацетил-К₀ А

Ацетил-К_оА включается в превращения ЦТКК, где окисляется до СО₂ и Н₂ О. Включение ацетил-К_оА в превращения ЦТКК не требуют затрат энергии, т.к. ацетильная группа в соединении с К_оА находится в активированной форме.

Превращения цикла трикарбоновых кислот представены на рис. 36.

Рис. 36. Общая схема превращений цикла трикарбоновых кислот, где ЦПЭ – цепь переноса электронов

Окислительное декарбоксилирование пирувата экзергонический процесс. В пересчете на одну молекулу глюкозы на этом этапе происходит восстановление двух молекул НАД. За счет энергии, освобождающейся при их окислении, в дыхательной цепи митохондрий ресинтезируется шесть молекул АТФ.

Рассмотрим последовательные реакции цикла трикарбоновых кислот. Превращения цикла трикарбоновых кислот начинаются с взаимодействия ацетил-К_оА с щавелевоуксусной кислотой (оксалоацетатом), катализируемого ферментом цитратсинтетазой. Еще одним участником этой реакции является молекула воды. В результате образуется лимонная кислота (цитрат) и свободный К_оА (рис. 37).

Рис. 37. Начальная реакция цикла трикарбоновых кислот

Образовавшаяся лимонная кислота вступает в реакцию изомеризации (внутримолекулярной перестройки), приводящей к образованию изолимонной кислоты (изоцитрата). Реакция идет через стадию образования промежуточного продукта цис -аконитата и катализируется ферментом аконитазой. Смысл этой реакции заключается в преобразовании трудно окисляемой лимонной кислоты в более легко окисляемую – изолимонную. Изолимонная кислота подвергается окислению НАД-зависимой дегидрогеназой, в процессе которого от нее отщепляются два атома водорода. Одновременно происходит ее декарбоксилирование – отщепление группы СО₂. Итогом этой реакции является α-кетоглютаровая кислота, содержащая на один атом углерода меньше, чем изолимонная, и восстановленная форма кофермента дегидрогеназы (НАД-Н₂).

Образовавшаяся в ходе этой реакции α-кетоглютаровая кислота (α-кетоглютарат) подвергается повторному окислению НАД-зависимой дегидрогеназой, приводящему к потере двух атомов водорода, и декарбоксилированию (отщеплению СО₂). В реакции участвует также кофермент А. В результате этой реакции образуется комплексное соединение К_оА с укороченной (по сравнению с α-кетоглютаровой кислотой) еще на один атом углерода янтарной кислотой - сукцинил-К_оА и восстановленная форма дегидрогеназы (НАД-Н₂).

Сукцинил связан с К_оА макроэргической связью; дальнейшие превращения сукцинил-К_оА обеспечивают трансформацию этой энергии в более удобную для организма форму – гуанозинтрифосфат (ГТФ). Реализуется это через реакцию с участием сукцинил-К_оА, свободной фосфорной кислоты и ГДФ (гуанозиндифосфата). Образование в этой реакции ГТФ относится к т. н. субстратному фосфорилированию. Продукт этой реакции ГТФ сам может использоваться в качестве непосредственного источника энергии в некоторых энергопотребляющих процессах, или обеспечить ресинтез более универсального для организма источника энергии – АТФ по уравнению:

ГТФ + АДФ → ГДФ + АТФ

Образовавшаяся янтарная кислота подвергается еще одному окислению, на этот раз с участием ФАД-зависимой дегидрогеназы. Продуктами реакции являются фумаровая кислота и восстановленная форма кофермента дегидрогеназы – ФАД-Н₂. Перенос водорода с ФАД-зависимой дегидрогеназы на кислород энергетически менее эффективный процесс, чем в случае окисления НАД-Н₂. Он может обеспечить ресинтез только двух молекул АТФ.

Следующая стадия - превращение фумаровой кислоты в яблочную. Реакция происходит с присоединением воды и может рассматриваться как обогащение промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот водородом, сопровождающееся внутримолекулярным перераспределением энергии.

На завершающем этапе цикла происходит окисление яблочной кислоты НАД-зависимой дегидрогеназой с образованием конечного продукта ЦТКК щавелево-уксусной кислоты, которая реагируя с ацетил-К_оА дает начало новому циклу превращений трикарбоновых кислот.

Все реакции ЦТКК катализируются специфическими ферментами, обладающими высокой активностью, в силу чего не происходит накопления промежуточных продуктов цикла.

ЦТТК является тем этапом превращений веществ в организме, с которым связано освобождение и фиксация в макроэргических связях АТФ наиболее значительного количества энергии. Сами реакции ЦТКК (один оборот цикла) связаны с ресинтезом всего одной молекулы АТФ (через предварительное образование гуанозинтрифосфата). Основное количество АТФ ресинтезируется при переносе водорода на кислород по дыхательной цепи с восстановленных форм дегидрогеназ, которые окисляют первичные доноры водорода, образующиеся в превращениях ЦТКК. Включение в превращения ЦТКК одной молекулы ацетил К_оА завершается образованием трех молекул восстановленной формы НАД-зависимой дегидрогеназы (3 НАД-Н₂) и одной молекулы восстановленной формы ФАД-зависимой дегидрогеназы (ФАД-Н₂). Перенос водорода с НАД-Н₂ на кислород в дыхательной цепи обеспечивает ресинтез трех молекул АТФ, с ФАД-Н₂ – двух молекул АТФ. Таким образом, энергетический эффект одного оборота ЦТКК составляет:

3 молекулы НАД-Н₂ × 3 АТФ = 9 АТФ,

1 молекула ФАД-Н₂ × 2 АТФ = 2 АТФ

Плюс одна молекула АТФ, ресинтезируемая в реакции субстратного фосфорилирования. Итого энергетический эффект одного оборота цикла ЦТКК составляет 12 молекул АТФ.

ЦТКК – универсальный путь катаболизма практически всех основных видов биомолекул: углеводов, липидов, аминокислот, которые включаются в эти превращения или через предварительное преобразование в ацетил-К_оА, или через превращение в промежуточные продукты ЦТКК. Кроме того, что ЦТКК обеспечивает взаимосвязь катаболических и анаболических превращений различных соединений, он играет важную роль в анаболизме клетки, поставляя промежуточные метаболиты для процессов биосинтеза. Так, например, сукцинил-К_оА служит субстратом для синтеза гема, α-кетоглутарат для синтеза глютаминовой кислоты и т.п. Следовательно, ЦТКК относится к амфиболическим процессам, связывая воедино катаболические и анаболические процессы.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Какие вещества относятся к углеводам? Как классифицируются углеводы? Назовите важнейшие представители углеводов разных классов и дайте им краткую характеристику.

2. Какие углеводы встречаются в важнейших продуктах питания? Какие из них подвергаются пищеварительным превращениям?

3. Какие превращения совершаются с углеводами в процессе пищеварения? Каковы пути использования в организме продуктов пищеварения углеводов?

4. Как осуществляются анаэробные превращения гликогена и глюкозы (гликолиз)? Какова энергетическая эффективность гликолиза?

5. Какие превращения происходят в аэробной фазе углеводного обмена?

6. Как превращения цикла трикарбоновых кислот (главного этапа аэробной фазы углеводного обмена) связаны с системой переноса протонов и электронов на кислород и ресинтеза АТФ?

7. Какова энергетическая эффективность аэробного окисления углеводов?

8. Какие химические превращения происходят в процессе устранения образующейся в ходе гликолиза молочной кислоты?

Глава 6. Обмен липидов

Общие сведения о липидах

К липидам относятся органические соединения растительного или животного происхождения не растворимые в воде, но растворимые в различных органических растворителях: бензине, ацетоне, хлороформе, метиловом и этиловом спирте и др. Поскольку липиды объединены в одну группу по физическому свойству, они отличаются большим разнообразием химического строения. Однако, большинство липидов являются сложными эфирами высших жирных кислот с различными спиртами: многоатомными, циклическими, азотосодержащими. Существуют различные подходы к классификации липидов. Остановимся на одном из них достаточно удобном с точки зрения наших интересов к рассмотрению данной группы веществ. В зависимости от химического состава липиды можно поделить на простые и сложные.

Простые липиды представляют собой двухкомпонентные вещества, построенные из высших жирных кислот и спиртов. Важнейшими представителями простых липидов являются жиры (триглицериды) - сложные эфиры жирных кислот и трехатомного спирта глицерина, а также стериды – сложные эфиры жирных кислот и полициклических спиртов – стеролов.

Сложные липиды имеют многокомпонентные молекулы, построенные не менее, чем из трех различных соединений. К числу важнейших сложных липидов относятся фосфолипиды и гликолипиды.

Молекулы фосфолипидов построены из остатков высших жирных кислот, глицерина, или других многоатомных спиртов и различных азотистых оснований. В состав молекул гликолипидов наряду с высшими жирными кислотами и многоатомными спиртами входит углевод.

К жирным кислотам относят карбоновые кислоты, содержащие в составе молекул от 4 до 24 атомов углерода, и, как правило, четное их число. При этом наиболее часто в составе липидов встречаются кислоты с числом атомов углерода от 16 и выше.

Жирные кислоты могут насыщенными (предельными) или ненасыщенными (непредельными). Среди последних можно выделить полиненасыщенные (полиеновые), содержащие по нескольку непредельных связей.

Наиболее часто в составе липидов встречаются следующие жирные кислоты:

· Пальмитиновая – С₁₅Н₃₁СООН,

· Стеариновая - С₁₇Н₃₅СООН,

· Олеиновая - С₁₇Н₃₃СООН,

· Линолевая - С₁₇Н₃₁СООН,

· Линоленовая - С₁₇Н₂₉СООН,

· Арахидоновая - С₁₉Н₃₁СООН.

Пальмитиновая и стеариновая кислоты относятся к числу насыщенных, олеиновая кислота – ненасыщенная с одной двойной связью. Линолевая, линоленовая и арахидоновая - полиненасыщенные кислоты, содержание, соответственно, 2, 3 и 4 двойные связи.

Липиды относятся к числу важнейших компонентов продуктов питания. В организме человека они выполняют разнообразные и чрезвычайно важные функции. Они способны образовывать комплексные соединения с белками, углеводами. В виде таких комплексов они входят в состав клеточных оболочек, различных внутриклеточных образований, включая ядра клеток. Оболочки клеток представляют собой двойной липидный слой, покрытый пленками из белка. На долю липидного компонента клеточной оболочки приходится до 50% ее сухого вещества. От липидного компонента оболочки зависит ее способность осуществлять транспорт многих метаболитов, обеспечивать регуляторные воздействия ряда гормонов. Такие функции осуществляют преимущественно фосфолипиды, стериды и гликолипиды. Жиры как структурный компонент играют менее важную роль. Остановимся на роли в организме отдельных представителей липидов.

Жиры (триглицериды)

Химическое строение жира представлено на рис.38.

Рис. 38. Общая формула жира, где R₁, R₂, R₃ – остатки жирных кислот

Нормальное содержание жира в организме человека составляет 12-15%, хотя может быть и меньше, и, что бывает значительно чаще, больше. Меньшая часть жира содержится внутри клеток всех органов и тканей, большая находится в клетках жировой ткани. Часть находящегося в клетках жира выполняет структурные функции, основное количество является запасным источником энергии. За счет окисления жиров человек покрывает 25-30% от суточных энерготрат. Особенностью жира является его высокая калорийность. При окислении 1г жира освобождается 9,3 ккал энергии (38,9 кДж), в то время, как при окислении 1г углеводов 4,1 ккал (16,1 кДж).

Жиры удобны для создания больших запасов энергии в организме. Кроме высокой калорийности это связано с тем, что жиры запасаются в виде безводных жировых капель. В то время, как запасаемый в организме гликоген находится в гидратированном состоянии (связан с водой). На каждый грамм запасенного гликогена приходится 3-4 грамма связанной с гликогеном воды. Для человека эта особенность жира не имеет серьезного значения, а для некоторых животных (например, бурые медведи) чрезвычайно важна.

Спортивная тренировка оказывает влияние на содержание и распределение жира в организме. Как правило, общее содержание жира уменьшается. Но при этом увеличивается содержание жира внутри клеток тех органов и тканей, которые активно функционируют при работе, например, внутри мышечных волокон.

Стероиды

Очень важными для организма человека липидами являются стероиды, особенно содержащие в своем составе холестерол. Химическое строение холестерола представлено на рис. 39.

Рис. 39. Химическое строение холестерола

Холестерол может присутствовать в организме человека как самостоятельно, так и в составе стеридов. В виде сложных эфиров с жирными кислотами находится не более 10% холестерола. Остальная часть холестерола выполняет различные функции самостоятельно. Из холестерола в организме человека синтезируются мужские и женские половые гормоны, гормоны коры надпочечников, наиболее активный витамер витамина D – D₃, желчные кислоты. Наряду с другими липидами холестерол выполняет разнообразные структурные функции. Особенно высоко его содержание в мозговых тканях. Холестерол является обязательной составной частью крови, где находится в комплексе с белками, образуя липопротеины. Важнейшими фракциями липопротеинов крови являются липопротеины высокой плотности (ЛПВП), характеризующиеся высоким содержанием белка и меньшим содержанием холестерола, и липопротеины низкой плотности (ЛПНП), для которых характерно невысокое содержание белка и большее содержание холестерола.

Холестерол входит в состав стенок кровеносных сосудов, концентрируясь ближе к их внутренней поверхности и обеспечивая им ряд важных свойств. С высоким содержанием холестерола в стенках сосудов связана способность холестерола откладываться на их внутренней поверхности. Вначале образуются бляшки, которые, разрастаясь, могут даже перекрывать кровеносный сосуд, или создать на его внутренней поверхности дополнительный слой. Это приводит к уменьшению кровяного русла и повышению кровяного давления, ухудшению проницаемости стенок для кислорода, питательных веществ, конечных продуктов обмена, снижению эластичности стенок. В таких утолщенных стенках могут откладываться минеральные соединения, в частности, соли кальция, что еще больше усугубляет все отмеченные выше отрицательные изменения (склеротические изменения).

Способность холестерола откладываться на внутренней поверхности стеное кровеносных сосудов связана также с его присутствием в крови. Содержание холестерола в крови варьирует в диапазоне от 80 до 250 мг%. 80 мг% содержится в крови детей младшего возраста, с годами содержание холестерола закономерно увеличивается, но скорость этого увеличения может существенно различаться у разных людей. Быстрому увеличению содержания холестерола в крови способствует гиподинамия, избыточный вес, злоупотребление алкоголем, курение и другие факторы, получившие название «факторы риска». Критическим считается содержание холестерола 180-190 мг%, которое у людей, ведущих нездоровый образ жизни, может быть достигнуто уже к 30 годам. Превышение критического содержания в крови холестерола повышает вероятность возникновения склеротических изменений кровеносных сосудов. Для возникновения склеротических изменений не менее важное значение, чем общее содержание холестерола в крови, имеет соотношение его фракций: ЛПНП и ЛПВП. На стенки кровеносных сосудов холестерол может осаждаться только из липопротеинов низкой плотности. Следовательно, чем выше доля ЛПНП, тем выше предрасположенность к склеротическим изменениям кровеносных сосудов.