29. Цикл Кребса: продукты, роль витаминов. Связь окислительного декарбоксилирования пирувата и цикла Кребса с дыхательной цепью
30. Классификация углеводов, входящих в состав ткани животных и человека, биологическая роль. Основные углеводы пищи. Переваривание и всасывание углеводов в желудочно-кишечном тракте. Транспорт углеводов в ткани и его регуляция
Углеводы — многоатомные спирты, содержащие кето- или альдегидную группу
Классификация: простые и сложные
Просты сахара не подвергаются гидролизу, классифицируются от количества углеродных атомов
1) триозы: глицеральдегид и диоксиацетон
2) тетрозы: эритроза
3) пентозы: рибоза и дезоксирибоза
4) гексозы: глюкоза, фруктоза, галактоза, манноза
5) гептозы: кседогептулоза
Также можно разделить на:
альдозы — эритроза, глицеральдегид, рибоза, глюкоза
петозы — фруктоза, деоксиацетон
Сложные углеводы гидролизуются с образованием простых сахаров (моно-); в зависимости от кол-ва моносахаридов различают:
1. олигосахариды — включают от 2х до 10 остатков моносахаров
лактоза — остатки глю и галактозы, молочный сахар
сахароза — остатки глю и фру, источники: тросник, свекла
мальтоза — отаток 2 глю, образуется при распаде крахмала в ЖКТ
2. полисахариды — содержат более 10 остатков моносахаров
гомополисахариды — включают одинаковые моносахара (крахмал — остатки глю; в молекуле различают 2 структуры: амилозу и аминопектин. Амилоза — линейная цепь моносахаров, соединенных а-1,4-гликозидными связями. Амилопектин — ветвящаяся структура, в точке ветвления формируются а-1,6-гликозидные связи
Гликоген так же состоит из остатков глю, структура способна амилопектину, но имеет больше ветвей и образуется в клетках животных и человека. Наибольшая концентрация — печень и ск.мышцы
гетерополисахариды — состоят из разных моносахаридов и их производных, называют бикоз-амино-гликаны, т. е. Входят в состав протеогликанов — компонентов соед.ткани
дезоксирибоза, рибоза являются компонентами нуклеотида, который участвует в различных процессах: источники энергии; мономера НК; обезвреживание токсичных в-в
входят в состав гликопротеинов, которые являются ферментами, рецепторами, гормонами, иммуноглобулинами, интерферонами
углеводы являются компонентами протеигликанов, которые входят в состав межклеточного в-ва, соединительнаяная ткань, где углеводы участвуют в межклеточных взаимодействиях, транспорте в-в, удерживание ионов и воды, обеспечивают антимикробную функцию
углеводная часть мембраны эритроцитов обеспечивает групповую принадлежность крови
Переваривание углеводов в ЖКТ
1. распад сложных в-в до простых, с помощью ф-тов
2. всасывание простых в-в с помощью транспортных систем, локализованных в мембранах клеток кишечника
Пищевыми углеводами являются: крахмал, лактоза, сахароза.
Переваривание крахмала в желудочно-кишечном тракте Процесс начинается в ротовой полости, где присутствует фермент слюны — амилаза. Фермент образуется в клетках слюнных желез и по протокам попадает в ротовую полость. рН оптимальный для амилазы 6,8-7. Амилаза расщепляет крахмал до олигосахаридов — декстринов. Полный распад крахмала маловероятен, т.к. пища находится в ротовой полости короткий промежуток времени и амилаза является эндогидралазой, т.е. расщепляет гликозидные связи внутри молекул крахмала. Декстрины → в полость желудка, где рН 1,5-2, в этих условиях амилаза не активна. Далее декстрины → в полость 12-перстной кишки. После желудка они имеют кислое значение рН, поэтому их необходимо нейтрализовать; В ответ на кислые декстрины кишечные клетки вырабатывают гормон секретин, этот гормон стимулирует 1ую порцию панкреатического сока, содержащего гидрокарбонат, он поступает в полость дуаденума и нейтрализует кислые декстрины. Далее вырабатывается кишечный гормон холицистокин, который стимулирует 2ю порцию панкреатического сока, содержащего фермент амилазу. Фермент поступает в полость дуаденума, где гидрализует декстрины до дисахаров — мальтозы, изомальтозы. Мальтоза и изомальтоза → в полость тонкого кишечника ниже, где расщепляются ферментами мальтазой, изомальтазой до глюкозы; Ферменты мальтаза и изомальтаза осуществляет пристеночный распад дисахаров, т.к. эти ферменты локализуются в мембране клеток кишечника. Глю далее подвергается всасыванию.
Переваривание лактозы. Процесс осуществляется в полости тонкого кишечника, мембрана связывается ферментом лактазой. Фермент расщепляет гликозидную связь в молекуле лактозы с образованием глю и галактозы. Продукты реакции далее всасываются. Переваривание сахарозы. Происходит в полости тонкого кишечника, мембрана связывается ферментом сахаразой. Продукты реакции всасываются.
Тригалоза — дисахарид, состоит из 2х остатков глю, соединенных а-1,1-гликозидными связями, содержащимися в грибаз.
Расщепляется в т.кишечнике.ю мембрана связана ф-том тригалазой, до 2 остатков глю.
Переваривание растительных углеводов в ЖКТ
С растительной пищей поступают растительные волокна — целлюлоза, кторая состоит из остатков глюкозы, соединеных В-1,4-гликозидными связями.
В полости ЖКТ человека отсутствует фермент целюлаза, поэтому гидролиз растительных волокон не осуществляется.
Однако они имеют определенное значение в пищеварении:
1. связывают и выводят токсические вещества, особенно радиактивные Ме
2. растительные волокна являются объектом для действия микрофлоры кишечника, под действием ферментов микрофлоры из растительных волокон образуются следующие вещества:
• короткоцепочные ЖК (ацетат, пропионат, утират)
• газы (СО2, СН4, Н2)
• этанол в физиологических концинтрациях
В физиологических концентрациях эти соединения улучшают моторику кишечника, соотв.эвакуацию кишечных соединений. ЖК могут быть использованы, как источники энергии клеток кишечника и немного печени.
Всасывание моносахаридов в кишечнике. Дальнейшая судьба простых сахаров В результате распада сложных углеводов в полости тонкого кишечника образуются простые сахара — глю, галактоза, фру; которые далее подвергаются всасыванию. Это означает, что простые сахара перемещаются из полости тонкого кишечника в его клетки. Глю всасывается двумя путями. 1.облегченная диффузия — осуществляется при помощи белков-переносщиков, которые называются «глют» локализованных в мембране клеток. Глю перемещается при помощи глют-5 в энтероциты, когда уровень глюкозы в полости кишечника больше, чем в клетках кишечника — пассивный транспорт. 2.вторично-активный транспорт — натрий-зависимый процесс Сначала ионы Na из полости тонкогг кишечника пассивным транспортом → в клетки тонкого кишечника, это стимулирует переход глю в энтероциты. Далее Na удаляется во внеклеточное пространство: полость кишечника/кровь при помощи Na-К-АТФазы — активный транспорт. Галактоза всасывается вторично-активным транспортом как глю; Фруктоза — облегченной диффузии при помощи глют-5. Из клеток тонкого кишечника бо́льшая часть простых сахаров → в воротную вену печени → в печень. Остальная часть попадает в лимфатическую систему, далее в малый круг, зачем в большой круг кровообращения и перемещается в клетку.
глют-1 — локализуются в мозге, эритроцитах, плаценте, сетчатки
глют-2 — в мембране кишечника (глю покидает кл.кишечника ч/з глют-2), печень, поджелудочная железа; глю может перемещаться из крови в клетки ч/з глют-2, а так же в обратном направлении
глют-3 — мозг, почки (для почек характерен так же наличие глют-1 и возможно глют-2)
глют-4 — в мембране ск.мышц, миокарда, жир.тканях
активность глют-4 контролируется при помощи инсулина. Во время голода, глю↓ в крови, инсулин не активен, глют-4 локализуется в ЦП ск.мышц, миокарда, жир.ткани. После еды, когда глю↑ в крови, инсулин активен, он связывается с рецепторами в мембране, после чего глют-4 перемещается из ЦП к мембране, встраивается в нее и происходит транспорт глю из крови в кл. таким образом транспорт является инсулин-зависимым процессом
глют-5 — в мембранах клеток кишечника, сперматозоидов (для транспорта фру)
31. Гликолитический распад глюкозы: локализация в клетке, биологическая роль. Процессы энергообразования при гипоксических состояниях. Регуляция гликолиза. Пентозофосфатный путь: биологическое значение
Схема распада глюкозы в аэробных условиях. Роль этого процесса. Количество АТФ.
Роль процесса — энергообразование
Гликолиз осуществляется в ЦП, не требуется О2.
Различают подготовительный и окислительный этапыПодготовительный. распад молекулы глю на 2 триозы: глицероальдегид-фосфат и фосфодиоксиацетон.
Окислительный. Окисление триозы с целью энергообразования. 
В аэробных условиях пируват перемещается для дальнейшего окисления в матриксе митохондрий в общих путях катаболизма.Итого по всем этапам 38 АТФ — теоретически; 32 — практически.
Энергообразование в анаэробных условиях. Роль НАД+. Причины образования лактата
Значение лактатной реакции1.регенерация НАД+ для осуществления гликолиза
2.энергообразование. В некоторых клетках анаэробное окисление глюкозы — единственный путь энергообразования.
Например: эритроциты, которые лишены митохондрий, поэтому анаэробное энергообразование невозможно.
В некоторых клетках отмечается и аэробный и анаэробный пути:
• лейкоциты: молекулы О2 тратятся на имунные реакции — часть энергии образуется анаэробно.
• Мозговой слой почек: образуется лактат, который перемещается в кору почек, где превращается в глю, который используется как источник энергии, а так же глю может поступать в кровь для поддержания ее уровня в норме.
• Мозговой слой надпочечников: осуществляет образование лактата, который диссоциирует с высвобождением Н+ в среду. Н+ закачиваются в ЦП в везикулы — это необходимо для транспорта адреналина и норадреналина в эти везикулы.
• Клетки скелетных мышц: при выполнении интенсивной работы.ю сопровождается дефицитом О2
• глиальные клетки перв. Вентезир. Лактат, который используются нейронами как источник энергии и глю
Существуют причины, способствующие усилению анаэробного окисления глю в результате образуется лактат, который перемещается в плазму, где его уровень вешу нормы
1) гипоксия: болезнь ССС, анемии, болезни органов дыхания, черепно-мозговые (нарушения дыхательного центра); интенсивная физическая нагрузка, дефицит гормонов щитовидной железы (гипотериоз); ингибирование дых.цепи митохондрий
2) дефицит витаминов, учавствующих в аэробном окислении глю: В1, В2, ВР, липолиевая кислота, пантотеновая кислота.
3) избыток гормонов щитовидной железы — гипертериоз, приводит к снижению окислительного фосфорилирования на дыхюцепи митохондрий, поэтому часть энергии может образовываться анаэробно.
Существуют причины, способствующие усилению анаэробного ок-ия глю в результате образуется лактат, который перемещается в плазму, где его уровень↑ нормы.
Гипоксия: болезнь ССС, анемии, болезни органов дыхания, черепно-мозговые (нарушения дых.центра) травмы, интенсивная физическая нагрузка, дефицит гормоноа щитовидной железы(гипотериоз); ингибирование дыхательной цепи митохондрий
дефицит витаминов, участвующих в аэробном ок-ии глю: В1, В2, ВР, липолиевая к-та, пантотеновая к-та
избыток гормонов щитовидной железы — гипертериоз, приводит к ↓ок-ого фосфорилирования на дых.ц. митохондрий, поэтому часть энергии может образовываться анаэробно
В результате переключения на анаэробное энергообразование наступает дефицит энергии — гипоэнергитические состояния.
Пентозофосфатный путь окисления глюкозы, его роль
Осуществляется в цитоплазме, в ходе окисления от глю отщепления 1 углеродный атом — апотанический путь распада.
Процесс включает 2 стадии:
1этап — окислительный; происходит образование НАДФН2 и рибоза-5-ф
2этап — не окислительный; превращает пентоз, что предотвращает их накопление и в итоге образуется фруктоза-6-ф, глицероальдегид-6-ф
Катализируется ферментами: транскиталазами, трансальдолазами, которые используют в качестве кофермента витамина В1.
Значение пентозо-фосфатного пути:1) образуется НАДФН2, который используется для синтеза липидов (ЖК, холестерол); обезвреживается токсичное вещество;обезвреживание свободных радикалов О2; генерация свободных радикалов О2; синтез желчных кислот.
2) образуется рибоза-5-ф: используется на синтез нуклеотидов, которые являются источниками энергии и мономерами НК.
3) образуется фру-6-ф и глицероальдегид-ф, которые могут окисляться в гликолизе с целью энергообразования и учавствуют в синтезе глю.
Источник
Цикл Кребса — кратко и понятно суть, схема и реакции
История изучения
Биологическая роль некоторых реакций цикла Кребса (ЦК) была изучена американским биохимиком венгерского происхождения Альбертом Сент-Дьердьи. В частности, он выделил ключевой компонент ЦТК — фумарат. Исследования в этом направлении продолжил Ганс Кребс. В итоге он установил всю последовательность реакций и соединений, образующиеся на всех этапах процесса. Ученый не смог определить, с преобразования какой кислоты начинается цикл — лимонной или изолимонной. Сейчас известно, что это лимонная кислота. Поэтому ЦК называют также цитратным или циклом лимонной кислоты.
Позднее американец Альберт Ленинджер, занимающийся биоэнергетикой, определил, что все реакции ЦК протекают в митохондриях клеток. С получением доступа к изотопам углерода появилась возможность более досконального изучения и уточнения данных о промежуточных соединениях на разных этапах цикла.
Метаболизм веществ
С пищей в организм поступают три основные группы сложных биохимических соединений — белки, жиры и углеводы. Они являются первичными метаболитами, потому что участвуют в обмене веществ или в метаболизме. Этот процесс происходит между любыми живыми клетками и окружающей средой непрерывно. Суть цикла Кребса заключается в том, что он является областью схождения двух путей метаболизма. Это следующие процессы:
- катаболизм, при котором происходит распад более сложных веществ на простые, в частности, глюкозы на моносахариды;
- анаболизм — синтез сложных веществ из простых, например, белков из аминокислот.
После попадания в пищеварительную систему сложные вещества расщепляются под действием ферментов на более простые, которые внутри клеток превращаются сначала в пируват (пировиноградную кислоту), а затем — в ацетильный остаток. Все эти преобразования можно назвать подготовкой к ЦК, а образование остатка — его запуском или начальным этапом.
Дальнейшие стадии цикла трикарбоновых кислот являются частью катаболизма. Процесс идет каскадно. Каждый предыдущий этап запускает последующий, а промежуточные продукты химических реакций служат не только для продолжения цикла, но и при определенных потребностях организма могут пополнять запасы веществ, необходимых для синтеза новых соединений (анаболизма).
Клеточное дыхание
Для нормальной жизнедеятельности живым клеткам постоянно требуется энергия. Ее главный универсальный источник — аденозинтрифосфат (АТФ), способный встраиваться в белки организма напрямую. Это соединение получается в результате ряда реакций окисления, носящих общее название «клеточное дыхание». При этом происходит постепенный распад органических веществ вплоть до простейших неорганических — углекислого газа CO2 и воды H2O.
Структурное строение молекул АТФ содержит фосфорангидридные связи, которые имеют свойство накапливать высвобожденную при прохождении реакций клеточного дыхания энергию, поэтому называются макроэргическими. Так создаются энергетические запасы клеток, которые могут высвобождается при необходимости разрывом этих связей. Процесс синтеза АТФ и класса вспомогательных соединений включает три этапа:
- Гликолиз происходит в цитоплазме.
- В матриксе митохондрий проходят все химические реакции цикла Кребса.
- Окислительное фосфорилирование на внутренней мембране митохондрий.
Преобразование аденозиндифосфата (АДФ) в АТФ характерно для всех этапов. Но наибольшее суммарное количество молекул с макроэргическими связями образуется при фосфорилировании. Это не значит, что процессы гликолиза и ЦК менее важны. Многие соединения, образующиеся во время их протекания, участвуют в регуляции клеточного дыхания.
Описание процесса
Протекание ЦК достаточно экономно с точки зрения энергозатрат. Такой эффект достигается благодаря тому, что он связывает два метаболических направления. В процесс вовлекаются вещества, подлежащие утилизации, которые либо служат энергетическим «топливом», либо возвращаются в круг анаболизма. Подготовительная стадия ЦК заключается в распаде глюкозы, аминокислот и жирных кислот на молекулы пирувата или лактата.
Органеллы митохондрий способны преобразовывать пируват в ацетильный остаток (ацетил-коэнзим А или ацетил-КоА), представляющий собой вместе с тиольной группой, которая может его переносить, кофермент А. Некоторое соединения могут сразу распадаться до ацетил-КоА, минуя стадию пирувата. При этом пировиноградная кислота может вовлекаться непосредственно в ЦК, не преобразуясь в ацетил-КоА.
Начальные этапы
Первая стадия необратима и состоит из конденсации ацетил-КоА с четырехуглеродным веществом — оксалоацетатом (щавелевоуксусной кислотой или ЩУК), что приводит к образованию шестиуглеродного цитрата (лимонной кислоты). Во время реакции метильная группа ацетил-КоА соединяется с карбонильной группой ЩУК. Благодаря быстрому гидролизу промежуточного соединения цитроил-КоА этот этап проходит без затрат энергии извне.
На второй стадии образуется изоцитрат (изолимонная кислота) из цитрата через цис-аконитат. Это реакция обратимой изомеризации через образование промежуточной трикарбоновой кислоты, в которой катализатором выступает фермент аконитатгидратаза.
Далее происходит дегидрирование и декарбоксилирование изоцитрата до промежуточного соединения оксалосукцинат с выделением углекислого газа. После декарбоксилирования оксалосукцината образуется енольное соединение, которое перестраивается и превращается в пятиуглеродную кислоту — α-кетоглутарат (оксоглутарата), чем и завершает третью ступень ЦК. Четвертый этап — α-кетоглутарат декарбоксилирует и реагирует с ацетил-КоА. При этом получается сукцинил-КоА, соединение янтарной кислоты и коэнзима-А, выделяется СО2.
Замыкание цикла
На пятой стадии сукцинил-КоА преобразуется в сукцинат (янтарную кислоту). Для этого этапа характерно субстратное фосфолирование, подобное синтезу АТФ при гликолизе. Введение в ЦК фосфорной группы РО3 становится возможным благодаря присутствию фермента ГДФ (гуанозиндифосфата) или АДФ (аденозиндифосфата), которые в процессе синтеза сукцината из дифосфатов становятся трифосфатами.
Начиная с шестой стадии, цикл начинает постепенно замыкаться. Сначала сукцинат под действием каталитического фермента сукцинатдегидрогеназы дегидрирует до фумарата. Дальнейшее дигидрирование приводит к седьмому этапу — образованию L-малата (яблочной кислоты) из фуратата через переходное соединение с карбанионом.
Последняя реакция цикла трикарбоновых кислот малат окисляется до щавелевоуксусной кислоты. Первая стадия следующего ЦК начинается с новой молекулы ацетил-КоА.
Значение и функции
Этот восьмиэтапный циклический процесс, итогом которого является окисление ацетильного остатка до углекислого газа, может показаться излишне сложным. Тем не менее, он имеет огромное значение в метаболизме промежуточных реакций и выполняет ряд функций. К ним относятся:
- энергетическая;
- анаболическая;
- катаболическая;
- транспортная.
Цикл Кребса участвуют в катаболизме жиров и углеводов. Соединения, образующиеся на разных стадиях процесса, участвуют в синтезе многих необходимых для организма веществ — глутамина, порфиринов, глицина, фенилаланина, цистеина и других. Когда промежуточные продукты покидают ЦК для участия в синтезе, происходит их замещение с помощью так называемых анаплеротических реакций, которые катализируются регуляторными ферментами, например, пируваткарбоксилазой.
Транспортная функция ЦК заключается в содействии гликолизу. Глюкозу невозможно превратить сразу в АТФ, поэтому механизм гликолиза действует поэтапно и сопровождается постоянным перемещением атомов и катионов водорода от одних соединений к другим. Для их транспортировки нужны специальные соединения, которые получаются на одной из стадий ЦТК. Участвующие в гликолизе коферменты цикла Кребса:
- НАД*H+(Никотинамидадениндинуклеотид с катионом водорода). Образуется на III стадии ЦК.
- ФАД*H2 (Флавинадениндинуклеотид с молекулой водорода). Появляется на V стадии ЦК.
Реакции ЦК имеют и большое клиническое значение. Хотя для людей не свойственны мутации, связанные с генами ферментов, участвующих в цикле, однако их редкие проявления губительны для здоровья. Они могут приводить к опухолям мышц и почек, нарушениям работы нервной системы.
Существует множество видов визуального и слухового отображения цикла Кребса — схемы с формулами, уравнения химических реакций, разнообразные таблицы и даже мнемонические способы для полного запоминания его главных «участников».
Источник