Гликолиз
Глюкоза фосфорилируется за счет АТФ, превращаясь при этом в...(1). Фосфорилирование глюкозы катализируется двумя изоферментами, один из которых специфичен для глюкозы, он называется...(2), другой использует в качестве субстрата любую гексозу, он называется...(3). Продукт фосфорилирования глюкозы при изомеризации превращается в...(4), при трансфосфорилировании – в...(5), при окислении – в...(6), при гидролизе – в...(7). Ферменты, катализирующие эти процессы, носят название соответственно...(8),...(9),...(10) и...(11).
Фруктозо-6-монофосфат фосфорилируется за счет АТФ, превращаясь при этом в...(12). Этот процесс катализируется ферментом...(13). Продукт фосфорилирования фруктозо-6-фосфата под влиянием фермента...(14) расщепляется на две фосфотриозы – фосфодиоксиацетон и - (15), а последний окисляется под влиянием фермента...(16) и одновременно фосфорилируется за счет неорганического фосфата. Образующийся при этом продукт называется...(17), он последовательно превращается в...(18),...(19),...(20) и...(21).
Последний этап катализируется ферментом...(22). В условиях достаточного поступления в клетку кислорода, образовавшийся при окислении фосфотриозы, НАДН(Н+) отдает электроны и протоны на фосфодиоксиацетон, который в результате этого превращается в...(23). Это соединение легко проникает через внутреннюю мембрану митохондрий и окисляется в митохондриях до...(24), под влиянием фермента...(25), коферментом которого является …(26). При недостаточном поступлении в клетки кислорода НАДН(Н+) передает электроны и протоны на...(27), который превращается в...(28). Этот процесс катализируется ферментом...(29).
В процессе гликолиза клетка затрачивает молекулы АТФ на этапах превращения...(30) в...(31) и...(32) в …(33). Образование новых молекул АТФ происходит на этапах превращения...(34) в...(35) и...(36) в...(37). Конечным продуктом аэробного гликолиза является …(38), а анаэробного...(39). Энергообеспечение клеток в условиях дефицита кислорода возможно за счет осуществления процесса, называемого...(40).
Пентозофосфатный путь окисления глюкозы
Глюкозо-6-монофосфат может окисляться под влиянием фермента...(1), коферментом которого является...(2). В результате этой реакции образуется НАДН(Н+) и...(3), последний окисляется и одновременно декарбоксилируется с образованием...(4) и...(5). Этот этап катализируется ферментом...(6), коферментом его является...(7). НАДФН(Н+) является основным восстановительным эквивалентом клеток, он необходим для биосинтеза …(8),...(9) и...(10).
Цикл трикарбоновых кислот
Пировиноградная кислота проникает из цитоплазмы в митохондрии, там от пирувата отщепляется двуокись углерода, протоны и электроны, и он превращается в...(1). Этот процесс называется...(2), он катализируется мультиферментным комплексом...(3), коферментами которого являются...(4),...(5),...(6) и...(7).
Пировиноградная кислота, присоединяя двуокись углерода, превращается в...(8). Этот процесс называется...(9), он катализируется ферментом...(10), коферментом которого является...(11).
Взаимодействие продуктов окислительного декарбоксилирования и карбоксилирования пирувата катализирует фермент...(12), в результате этого взаимодействия синтезируется...(13). Образовавшийся продукт в результате последовательно протекающих реакций изомеризации, дегидрирования и декарбоксилирования превращается в...(14). Процесс дегидрирования катализируется ферментом...(15), коферментом которого является...(16).
Альфа-кетоглутаровая кислота подвергается окислительному декарбоксилированию и превращается в...(17), из которого после фосфорилирования и переноса фосфатной группы на ГДФ образуется...(18). Этот продукт под влиянием фермента...(19), коферментом которого является...(20), превращается в...(21), а из последнего после гидратации и дегидрирования образуется...(22). Последний этап катализируется ферментом...(23), коферментом его является...(24).
НАД–зависимые дегидрогеназы катализируют окисление на этапах превращения...(25) в...(26),...(27) в...(28),...(29) в...(30) и...(31) в...(32). С осуществлением каждого из этих этапов сопряжено образование...(33) молекул АТФ. ФАД–зависимые дегидрогеназы катализируют окисление на этапе превращения...(34) в...(35). С осуществлением этого этапа сопряжено образование...(36) молекул АТФ. Субстратное фосфорилирование происходит на этапе превращения...(37) в...(38). С этим этапом сопряжено образование...(39) молекул АТФ.
Глюконеогенез
Процесс, за счет осуществления которого сохраняется энергообеспечение клеток мозга при длительном прекращении поступления в организм углеводов, называется …(1), он происходит главным образом в клетках...(2)и значительно меньше в клетках...(3). Исходным субстратом рассматриваемого процесса являются промежуточные продукты распада...(4) и...(5).
Пируват, присоединяя двуокись углерода, превращается в...(6). Этот процесс катализируется ферментом...(7), коферментом которого является...(8). Образовавшийся продукт после фосфорилирования за счет ГДФ и декарбоксилирования превращается в...(9). Этот процесс катализируется ферментом...(10). Возникший метаболит последовательно гидратируется, изомеризуется, фосфорилируется при одновременном дефосфорилированни, превращаясь в...(11),...(12),...(13) и...(14). Две молекулы образовавшегося метаболита конденсируются и превращаются в...(15), под влиянием фермента...(16) это соединение превращается в...(17). Далее следует изомеризация, в результате которой образуется...(18), который под влиянием фермента...(19) превращается в...(20). Фермент, катализирующий последний этап, имеется только в клетках...(21). Молекулы АТФ затрачиваются на этапах превращения...(22) в...(23) и...(24) в...(25). Глюкозо-6-фосфат в результате процесса внутримолекулярного трансфосфорилирования превращается в...(26), из которого под влиянием фермента...(27) синтезируется...(28).
Регуляция обмена глюкозы
Накопление в клетках избытка цитрата снижает активность фермента...(1), это приводит к накоплению избыточного количества...(2), который легко изомеризуется в...(3), а последний является ингибитором фермента...(4). Таким образом, при накоплении избыточного количества цитрата ограничивается использование клеткой...(5).
Ацетил-КоА является ингибитором фермента...(6) иактиватором фермента...(7). Накопление в клетках избыточного количествах ацетил-КоА замедляет превращение пирувата в...(8) и ускоряет превращение этого соединения в...(9). Таким образом, при избытке ацетил-КоА снижается поступление углеродного скелета в...(10) и увеличивается его поступление в процесс...(11).
Накопление больших количеств АТФ снижает в митохондриях активность фермента...(12), а в цитоплазме активность фермента...(13). Накопление больших количеств НАДН(Н+) снижает в митохондриях активность фермента...(14).
Адреналин активирует фермент...(15) и ингибирует фермент...(16), действие гормона проявляется преимущественно в клетках...(17). Глюкагон активизирует фермент...(18) и ингибирует фермент...(19), действие гормона проявляется преимущественно в клетках...(20). Глюкокортикоиды увеличивают синтез ферментов...(21), …(22),...(23) и...(24) в клетках...(25). Инсулин повышает проницаемость мембран для...(26) и...(27). Независимы от инсулина в этом отношении только клетки...(28) и...(29). Инсулин усиливает синтез ферментов...(30),...(31),...(32),...(33),...(34),...(35) и …(36).
Адренокортикотропный гормон усиливает секрецию гормонов клетками...(37). Соматотропный гормон повышает проницаемость клеточных мембран для...(38) и...(39), он усиливает синтез гормонов...(40).
Нормальная концентрация глюкозы в крови равна …(41). Повышение концентрации глюкозы в крови до величин, превышающих...(42), называется...(43), снижение до величин ниже...(44), называется...(45).
Повышение концентрации глюкозы в крови происходит при усилении секреции и поступлении в кровь гормонов...(46),...(47),...(48),...(49) и...(50). Снижение концентрации глюкозы происходит при усилении секреции и поступлении в кровь гормона...(51). При недостаточной секреции этого гормона концентрация глюкозы в крови...(52). Длительное нарушение секреции инсулина характерно для заболевания, которое называется...(53).
VI. ОБМЕН ЛИПИДОВ
Жирные кислоты являются наиболее «компактным» топливом, удовлетворяющим энергетические потребности организма. При полном окислении жирных кислот выделяется (в пересчете на 1 моль) в несколько раз больше пригодной для использования химической энергии, чем при окислении углеводов. Процессы окисления жирных кислот осуществляются исключительно в митохондриях. Они непосредственно связаны с заключительными реакциями катаболизма в системе цикла лимонной кислоты и переноса электронов в дыхательной цепи. Процесс окисления жирных кислот состоит из трех этапов:
1) активация жирных кислот путем энергозависимой реакции образования тиоэфиров ацетил-КоА, 2) бета-окисление, представляющее собой последовательное отделение электронов и протонов от алкильной цепи, заканчивающееся отщеплением двухуглеродного фрагмента в виде молекулы ацетил-КоА и 3) окисление в цикле трикарбоновых кислот образующихся молекул ацетил-КоА до СО2 и Н2О.
В большинстве тканей проникновение жирных кислот из цитоплазмы в митохондрии происходит при участии молекул карнитина.
Первый этап окисления требует затраты энергии, он подобно фосфорилированию подготавливает молекулу жирной кислоты ко всем последующим реакциям, сопровождающимся высвобождением энергии.
Окисление жирных кислот происходит только при достаточном поступлении в клетку кислорода. В отличие от глюкозы, являющейся основным энергетическим материалом для клеток головного мозга, жирные кислоты используются главным образом для энергообеспечения миоцитов.
Процессы биосинтеза и окисления жирных кислот осуществляются в различных компартментах. Биосинтез жирных кислот происходит не в митохондриях, а в цитоплазме. Для биосинтеза жирных кислот необходим белок, известный под названием ацетил-переносящий белок. Третье, биосинтез жирных кислот требует участия реакции карбоксилирования с вовлечением СО2 и биотина, которые не нужны при бета-окислении. Четвертое, процессы, обратные этапам окисления, для которых при окислении требуется ФАД и НАД+, протекают при участии НАДФН. Биосинтез жирных кислот протекает в три этапа: 1) обеспечение исходного материала, ацетил-КоА, который образуется в митохондриях и должен быть перенесен в цитоплазму; этот перенос осуществляется в форме цитрата, который в цитоплазме при участии цитрат расщепляющего фермента распадается с образованием ацетил-КоА и оксалоацетата; 2) карбоксилирование ацетил-КоА с образованием истинного субстрата липогенеза малонил-КоА и 3) конденсация ацетил-КоА и их восстановление с образованием высших насыщенных жирных кислот.
Биосинтез триглицеридов наиболее интенсивно происходит в жировой ткани и печени. Липогенез в значительной степени зависит от обеспечения адипоцитов такими продуктами и коферментами, как ацетил-КоА, АТФ, НАДФН и альфа-глицерофосфат. Жировая ткань не обладает способностью использовать свободный глицерин для биосинтеза триглицеридов. В жировых клетках отсутствует фермент глицеролкиназа, и поэтому эти клетки должны получать весь альфа-глицеролфосфат, путем восстановления фосфодиоксиацетона, образующегося при гликолизе, катализируемого альфа-глицерофосфат-
дегидрогеназой.
Интегральным показателем интенсивности обмена липидов является концентрация неэстерефицированных жирных кислот в крови. В состоянии покоя она составляет в среднем 5000– 6000 мкмоль в 1 л. Эта величина зависит от соотношения скоростей липолиза и липогенеза в жировой ткани и в печени, а также потребления свободных жирных кислот мышцами и другими тканями. Триглицериды мобилизируются и утилизируются медленнее, чем гликоген, поэтому концентрация свободных жирных кислот в крови колеблется в более широких пределах, чем концентрация глюкозы. При некоторых состояниях организма (эмоциональное напряжение, интенсивная мышечная нагрузка, голодание) концентрация свободных жирных кислот в крови может возрасти на 400 – 500%. Столь значительное повышение уровня жирных кислот в крови объясняется тем, что скорости реакций липолиза резко превышают скорости реакций утилизации жирных кислот. Несмотря на то что жирные кислоты во многих тканях утилизируются медленнее, чем глюкоза и другие моносахариды, они вполне доступны для окисления в функционирующих тканях и поэтому являются при некоторых физиологических ситуациях важнейшим и даже первостепенным энергетическим материалом для многих типов клеток и в первую очередь для клеток скелетных мышц при дефиците глюкозы. В миокарде свободные жирные кислоты –главный энергетический материал при любых состояниях организма. Скорость потребления жирных кислот клетками всех тканей зависит от их концентрации в крови и не зависит от проницаемости для них клеточных мембран.
Регуляция соотношения между катаболизмом и анаболизмом жирных кислот и триглицеридов осуществляется веществами, поступающими в организм с пищей, метаболитами, образующимися внутри клетки, и гормонами. Следует иметь в виду, что регуляция обмена жирных кислот и триглицеридов находится в тесной взаимосвязи с обменом углеводов и циклом трикарбоновых кислот.
6.1. Назовите вид липопротеидов, являющийся транспортной формой триглицеридов, всасывающихся из кишечника.
6.2. Назовите вид липопротеидов, являющихся основной транспортной формой триглицеридов, образующихся в тканях.
6.3. Назовите вид липопротеидов, являющихся основной транспортной формой холестерина.
6.4. Назовите белок, в комплексе с которым транспортируются неэстерифицированные жирные кислоты.
6.5. Назовите фермент, расщепляющий липопротеиды.
6.6. Напишите процесс бета-окисления.
6.7. Напишите процесс биосинтеза триглицерида.
6.8. Напишите процесс биосинтеза лецитина.
6.9. Напишите процесс превращения ацетилкоэнзима А в бутирилкоэнзим А.
6.10. Назовите продукт, в виде которого жирные кислоты проникают из цитоплазмы в митохондрии.
6.11. Назовите продукт, в виде которого ацетилкоэнзим А проникает из митохондрии в цитоплазму.
6.12. Напишите превращение глицерина в ацетоуксусную кислоту.
6.13. Напишите процесс превращения ацетилкоэнзима Ав кетоновые тела.
6.14. Назовите кофермент, необходимый для дегидрирования ацетилкоэнзима А.
6.15. Назовите кофермент, необходимый для дегидрирования бета-оксиацетилкоэнзима А.
6.16. Рассчитайте, какое количество молей АТФ образуется при окислении: а) стеариновой кислоты до ацетил-КоА; б) стеариновой кислоты до углекислого газа и воды; в) тристеарина до углекислого газа и воды.
6.17. При полном сгорании стеариновой кислоты образуется 256000 ккал на 1 моль. Рассчитайте долю энергии (в %), аккумулируемой в макроэргических связях АТФ, при полном окислении стеариновой кислоты.
6.18. Рассчитайте, какое количество молей АТФ будет израсходовано при биосинтезе 1 моля дистеарилхолинфосфатида из пальмитиновой кислоты, серина, глюкозы и метионина. Вычислите количество молей глюкозы, полное окисление которых энергетически обеспечивает синтез указанных соединений.
6.19. Узловым метаболитом обмена углеводов, липидов и аминокислот является ацетил-КоА. Как изменится обмен этого соединения при недостатке в клетке: а) коэнзима А, б) биотина, в) НАДФН(Н+), г) щавелевоуксусной кислоты?
6.20. Описано заболевание, при котором в мышцахчеловека содержится мало карнитина. Какие клинические симптомы должны иметь место при таком заболевании?
6.21. У некоторых идентичных близнецов с раннего возраста наблюдаются болезненные мышечные судороги. Активность ферментов гликолиза и гликогенолиза в их мышцах не отличается от нормы, липолиз триглицеридов в жировой ткани происходит нормально, об этом свидетельствует повышение концентрации НЭЖК в плазме крови после голодания и физической нагрузки. Активность ацеатил-КоА-синтетазы не изменена. Боли снимаются при голодании, физической нагрузке и при потреблении пищи, богатой жирами. Обсудите причину возникновения заболевания и механизм его коррекции.
6.22. Известно выражение – «жиры сгорают в пламени углеводов». Какова его молекулярная основа? Напишите уравнение соответствующей реакции.
6.23. Составьте таблицу сравнительной характеристики процессов анаэробного гликолиза и бета-окисления жирных кислот.
6.24. Охарактеризуйте взаимосвязь между метаболизмом жирных кислот, в цитоплазме и митохондриях клетки.
6.25. Охарактеризуйте изменения обмена ацетил-КоА при дефиците в клетке: а) биотина, б) НАДФН, в) оксалоацетата.
6.26. Напишите превращение глюкозы в: а) ацетоуксусную кислоту, б) масляную кислоту. Учтите при этом компартментализацию процессов.
6.27. Рассчитайте энергетические затраты клетки при биосинтезе пальмитиновой кислоты из ацетил-КоА. Сопоставьтеих с энергетическим выходом при окислении пальмитиновой кислоты до ацетил-КоА. Какие выводы о биологическом значении процесса биосинтеза жирных кислот можно сделать на основании такого сопоставления?
6.28. Биосинтез жирных кислот из ацетил-КоА происходит при участии НАДФН, который генерируется как при окислении жирных кислот, так и при окислении глюкозы. Сколько молей НАДФН, необходимого для образования пальмитиновой кислоты, образуется в каждом из указанных ниже процессов?
6.29. Напишите превращение глицерина в: а) ацетоуксусную кислоту, б) масляную кислоту. Учтите при этом компартментализацию процессов.
6.30. Составьте таблицу сравнительной характеристики процессов биосинтеза глюкозы из пирувата и жирных кислот из ацетил-КоА.
6.31. Охарактеризуйте взаимосвязь между обменом глюкозы и жирных кислот: а) в печени и мышцах, б) в печени и жировой ткани.
6.32. Накопление АТФ в митохондриях гепатоцитов оказывает влияние на интенсивность биосинтеза жирных кислот в этих кленах. Какова направленность этого влияния? Каков его механизм?
6.33. При врожденном дефекте метилмалонил-КоА-мутазы в клетках накапливается метилмалонил-КоА, являющийся ингибитором пируваткарбоксилазы. Какие нарушения обмена углеводов и липидов могут быть следствием указанного дефекта?
6.34. Длительная физическая нагрузка приводит к значительному изменению обмена липидов. Можно ли ожидать повышения уровня жирных кислот и кетоновых тел в крови после длительных физических нагрузок? Обоснуйте свой ответ.
6.35. Затраты энергии при марафонском беге составляют примерно 20000 кал. Общая энергетическая ценностьвсех резервных углеводов в организме составляет около 6500 кал. За счёт каких веществ обеспечиваются энергетические потребности организма стайера во время марафонского бега? Обоснуйте механизм обеспечения организма энергией в данной ситуации.
6.36. Количество липидов, накапливающихся в жировых депо, в значительной степени определяется содержанием в пищевом рационе углеводов. Обоснуйте причины этого явления.
6.37. Описано заболевание, при котором активность фосфофруктокиназы жировой ткани не регулируется цитратом. Как может измениться обмен липидов в жировой ткани при таком генетическом дефекте?
6.38. При голодании резко увеличивается процесс образования кетоновых тел. Объясните механизм этого явления.Какие оно имеет последствия для организма?
6.39. При сахарном диабете резко нарушается процесс биосинтеза жирных кислот в печени и триглицеридов в жировой ткани. Обсудите механизм этих нарушений.
6.40. У больных сахарным диабетом ускоряется развитие атеросклероза. Обсудите механизм этого явления.
6.41. При ишемии миокарда в клетках увеличивается содержание жирных кислот. Каков механизм этого увеличения? Каковы его последствия?
6.42. Выделены 3 основные формы гиперлипопротеинемии:
1) гиперхиломикронемия, 2) гипер-бета-липопротеинемия, 3) гипер-бета- и гипер-пре-бета-липопротеинемия. При какой из этих форм увеличено содержание: а) триглицеридов, б) холестерина? При какой из этих форм следует ограничить содержание в рационе: а) углеводов, б) насыщенных жирных кислот, в) холестерина? Обоснуйте свой ответ и иллюстрируйте его таблицей.
