Биологическое значение (функции) основных метаболических путей
I. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса). Это 10 последовательных ферментативных реакций, в которых ацетил-КоА окисляется до СО2 и Н2О.
1. Интегративная – обьединяет 3 вида обменов веществ (углеводов, жиров и белков)
2. Катаболическая - третья стадия катаболизма (общий путь катаболизма).
3. Анаболическая - может быть первой стадией анаболизма (в синтезе гема; в синтезе некоторых аминокислот - аспартата, глутамата; ацетил-КоА - предшественник жирных кислот).
4. Энергетическая - непосредственно в цикле синтезируется только 1 молекула АТФ. Но за счет поставки водорода в дыхательные цепи возможен синтез еще 11 молекул АТФ (3 НАДН - в полную цепь - 9 АТФ; 1 ФАДН - в укороченную цепь - 2 АТФ). ИТОГО - 12 АТФ!
II. ГЛИКОЛИЗ (10 последовательных ферментативных реакций: глюкоза → пируват)
2 функции:
1) является первым этапом катаболизма глюкозы
2) он является источником энергии (2 АТФ).
2) реакции гликолиза – поставщики промежуточных соединений для синтеза липидов и аминокислот (например, ПВК → аланин, диоксиацетонфосфат → α-глицерофосфат → ТГ);
а) АЭРОБНОЕ ОКИСЛЕНИЕ ГЛЮКОЗЫ - окисление глюкозы с участием кислорода до СО2 , Н2О и 38 АТФ.
Подсчет 38 АТФ:
Глюкоза
↓ малатный челнок
1,3-бисфосфоглицериновая кислота+2НАДН2 2×3=6АТФ
↓
2ПВК + 2 АТФ
↓
2АцетилКоА + 2×3=6АТФ
↓
ЦТК (СО2+Н2О+2×12=24 АТФ)
б) АНАЭРОБНЫЙ ГЛИКОЛИЗ (глюкоза → лактат+2АТФ).
Замечание: в анаэробном гликолизе 2НАДН не переносятся в митохондрии, как в аэробном окислении глюкозы, а используются в последней реакции 2пирувата+2НАДН→2лактата +НАД
Анаэробный гликолиз в клетках:
1) является источником энергии (2 АТФ). Например, а) 90% энергии в эритроцитах образуется за счет анаэробного гликолиза; б) основной источник АТФ в интенсивно сокращающихся скелетных мышцах; в) анаэробный гликолиз - источник АТФ в условиях ишемии органов (например, при инфаркте миокарда).
Анаэробный гликолиз может протекать во всех клетках организма. Однако основными источниками лактата крови являются эритроциты, скелетные мышцы (в период физической нагрузки), мозговой слой почек и слизистая оболочка кишечника. Основные потребители лактата – печень и почки. Большая часть лактата, поступающего из крови в печень, используется в реакциях глюконеогенеза (цикл Кори).
III. ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ - синтез глюкозы (гликогена) из неуглеводных предшественников – аминокислот, лактата, пирувата, глицерина.
Глюконеогенез – это важный источник глюкозы для органов и тканей: 1) в промежутках между приемами пищи; 2) при голодании; 3) при продолжительной физической нагрузке.
Глюконеогенез протекает главным образом в печени (80%). За счет глюконеогенеза образуется до 80 г глюкозы в сутки. Скорость глюконеогенеза минимальна после приема пищи, затем нарастает и достигает максимума через несколько часов. К другим тканям и органам, способным синтезировать глюкозу из неуглеводных предшественников и поставлять ее в кровь относятся почки.
IV. ПЕНТОЗОФОСФАТНЫЙ ЦИКЛ. 6Глю-6ф+12НАДФ→5глю-6ф+12НАДФН2+6СО2.
Пентозофосфатный цикл не приводит к образованию АТФ и выполняет две главные функции:
1) образование НАДФН2, который используется для синтеза жирных кислот, стероидов (ХС, стероидных гормонов, желчных кислот, кальцитриола), обезвреживания ксенобиотиков, восстановительного аминирования (альфа-кетоглутарат → глутамат), восстановления глутатиона из окисленной формы (Г-S-S-Г + НАДФН → 2ГSH + НАДФ).
2) Обеспечивает рибозой синтез нуклеотидов, а также синтез гистидина.
Различают окислительную (заканчивается образованием рибулозо-5-фосфата) и неокислительную стадии ПФЦ. Особенно активно реакции ПФЦ протекают в органах и тканях, где синтезируются большие количества липидов – в печени, жировой ткани, молочной железе, коре надпочечников. Кроме того, в эритроцитах около 10% глюкозы утилизируется этим путем. Здесь образующийся НАДФН необходим для восстановления глутатиона (трипептид, необходимый для сохранения целостности эритроцита) в глутатионредуктазной реакции.
V. СИНТЕЗ ГЛИКОГЕНА (глюкоза→глю-6-ф→глю-1ф→УДФ-глюкоза+(С6 Н10О5)n→ (С6Н10О5)n+1. Главный фермент - гликоген-синтаза.
Значительная часть глюкозы, поступающей в клетки, превращается в гликоген – запасной полисахарид, используемый в интервалах между приемами пищи. Гликоген синтезируется практически во всех клетках организма, однако наибольшее количество обнаруживается в печени - до 5% (100 г) и скелетных мышцах - 1% (300 г). Голодание в течение 24-48 часов приводит практически к полному исчезновению гликогена в клетках печени. Синтез гликогена активируется инсулином и кортизолом, ингибируется адреналином и глюкагоном.
VI. РАСПАД ГЛИКОГЕНА. (С6Н10О5)n+1→С6Н10О5)n+глюкозо-1-фосфат. Главный фермент - фосфорилаза.
Гликоген как запасная форма глюкозы расходуется в промежутках между приемами пищи. Гликоген печени – источник глюкозы для всех клеток организма. Гликоген мышц – источник глюкозы только для самих мышц (причина – отсутствие в мышцах глюкозо-6-фосфатазы). Распад гликогена стимулируется адреналином, глюкагоном.
VII. СИНТЕЗ ЖИРНЫХ КИСЛОТ. ЖК синтезируются из ацетил-КоА в 3 стадии: 1. Транспорт ацетил-КоА из митохондрий в цитозоль (ацетил - КоА+ЩУК→цитрат+КоА. Цитрат переносится через мембрану и в цитозоле вновь образует ацетил-КоА и ЩУК); 2. Образование малонил-КоА из ацетил-КоА и СО2;3. Синтез жирной кислоты из ацетил-КоА и малонил-КоА с помощью пальмитатсинтазного комплекса (состоит из 2-ух полипептидных цепей. Каждая содержит 6 ферментов синтеза и ацилпереносящий белок. Выделяют понятия центральная и периферическая SH-группы. Синтез идет на центральной SH-группе).
Наиболее интенсивно синтез ЖК протекает в печени, жировой ткани и лактирующей молочной железе. Расходуются жирные кислоты в основном по трем направлениям: 1) включаются в состав резервных жиров (ТГ); 2) включаются в состав сложных липидов (фосфо - и гликолипидов); 3) окисляются до СО2 и Н2О с выделением энергии, используемой для синтеза АТФ.
VIII. РАСПАД ЖИРНЫХ КИСЛОТ. ЖК распадаются до ацетил-КоА в 3 стадии: 1. Активация ЖК в цитозоле клеток (ЖК+АТФ+КоА→ацил-КоА+АМФ+Н4Р2О7. Ацил-Коа – это жирная кислота вмете с КоА) и перенос ацилов в митохондрии с помощью карнитина;2. β-окисление ацил-КоА. За 4 реакции от ацил-КоА отщепляется ацетил-КоА;3. Поступление ацетил-КоА в ЦТК.
Использование бета-окисления жирных кислот с целью получения энергии происходит во многих тканях, за исключением ЦНС. Особенно значительна роль этого источника энергии для скелетных мышц при длительной физической работе, а также для миокарда.
IX. СИНТЕЗ ХОЛЕСТЕРИНА. ХС синтезируется из ацетил-КоА в эндоплазматическом ретикулуме ядросодержащих животных клеток путем последовательных ферм. реакций в 3 стадии: 1. Образование изопептенилпирофосфата (пятиуглеродный фрагмент);2. Конденсация этих фрагментов в сквален (С30); 3. Модификация сквалена в ХС.
Холестерин:
1) эссенциальный компонент биомембран; регулирует их текучесть (жидкостность).
2) предшественник биологически важных стероидов в организме (стероидных гормонов, желчных кислот, витамина Д).
Не менее 50% ХС синтезируется в печени.
X. ЦИКЛ МОЧЕВИНООБРАЗОВАНИЯ - общий путь обезвреживания аммиака. Мочевина синтезируется из СО2, NH3 , АТФ и аспартата..
Мочевина – главный конечный продукт обмена азота (белков) в организме: азот мочевины составляет около 90% всего выводимого азота. Количество выделяемой мочевины зависит от количества аминокислот (белков), поступающих с пищей. За сутки образуется и выделяется с мочой 25-30 г мочевины.
Синтез мочевины происходит в печени. Один атом азота мочевины образуется за счет аммиака, второй – за счет аминогруппы аспарагиновой кислоты. Через аспартат (с участием реакций трансаминирования) аминогруппа любой аминокислоты может включится в мочевину. Связан с циклом Кребса посредством АТФ, СО2 и фумарата (фумарат→малат→оксалацетат→ аспартат)
XI. СИНТЕЗ ГЕМА (железо-протопорфирин). Гем синтезируется из глицина, сукцинил-КоА и железа.
Синтез гема происходит во всех клетках, имеющих митохондрии.
1. Гем → гемоглобин; 2. Гем → миоглобин; 3. Гем → цитохромы а, в и с;
4. Гем → каталаза, пероксидаза.
XII. СИНТЕЗ ПУРИНОВЫХ и ПИРИМИДИНОВЫХ НУКЛЕОТИДОВ.
Пуриновын нуклеотиды (АМФ И ГТФ). Синтез начинается с рибозо-5-фосфата. Азотистое основание достраивается за счет следующих соединений:
3 и 9 атомы - глутамин, 6 - СО2, 2 - формил-ТГФК, 8 - Метилен-ТГФК, 4,5, 7 - из глицина, 1 - из аспартата.
Синтез пиримидиновых нуклеотидов (УМФ, ЦМФ, ТМФ) начинается наоборот с синтеза азотистого основания - оротовой кислоты (из СО2, глутамина, аспартата), к которому затем присоединяется рибозо-5 фосфат.
Функции нуклеотидов:
1) Мононуклеотиды - предшественники и структурные компаненты нуклеиновых кислот.
2) Мононуклеотиды - предшественники АТФ (универсальный источник энергии в клетках), УТФ (используется в реакциях обмена углеводов (синтез гликогена), ЦТФ (в реакциях синтеза фосфолипидов).
4) Синтез НАД, НАДФ, ФАД, КоА
5) цАМФ и цГМФ – вторичные посредники.
Практически все клетки организма способны к синтезу нуклеотидов. Однако основным местом биосинтеза нуклеотидов de novo являтся печень. Из печени нуклеотиды в виде нуклеозидов или азотистых оснований кровью доставляются в другие ткани, где они могут превращаться в нуклеотиды.
XIII. РАСПАД ПУРИНОВЫХ НУКЛЕОТИДОВ.
Образование мочевой кислоты происходит главным образом в печени. Мочевая кислота – основной продукт катаболизма пуриновых нуклеотидов (АМФ и ГМФ) у человека. Ежесуточно образуется 0,5-1 г мочевой кислоты, которая выводится через почки. Кроме того ураты (натриевые соли мочевой кислоты) относятся к антиоксидантам плазмы крови.
Пиримидиновые нуклеотиды (ЦМФ, ТМФ, УТФ) могут распадаться до СО2, NH3 и Н2О.
XIV. ОБМЕН ФЕНИЛАЛАНИНА И ТИРОЗИНА.
Фенилаланин - незаменимая аминокислота, а тирозин образуется из фенилаланина. Основная масса фенилаланина расходуется по двум путям – включается в белки и превращается в тирозин. Обмен тирозина сложнее. Он используется для: 1. Синтеза белков; 2. Синтеза катехоламинов; 3. Синтеза тиреоидных гормонов; 4. Синтеза меланина; 5. Подвергается катаболизму до СО2 и Н2О.
XV. РАСПАД ГЕМА И ОБРАЗОВАНИЕ БИЛИРУБИНА.
Около 80% билирубина образуется из гема эритроцитов при его распаде. Остальное - из гема гем-содержащих ферментов клеток и тканей. Прямой (связанный) билирубин образуется в печени и связан с глюкуроновой кислотой. Непрямой (свободный) билирубин крови – билирубин, связанный с белком альбумином.
Несмотря на потенциальную токсичность, билирубин имеет и положительную физиологическую роль – он является антиоксидантом плазмы крови.
ХVI. РЕАКЦИИ ТРАНСАМИНИРОВАНИЯ (ПЕРЕАМИНИРОВАНИЯ) - это реакции переноса аминогруппы с аминокислоты на кетокислоту. Образуется новая аминокислота. Ферменты трансаминазы (АЛАТ и АСАТ).
Часто первой реакцией катаболизма аминокислот является удаление α-аминоазота. Обычно (но не всегда; исключением являются лизин, треонин, пролин и гидроксипролин) это осуществляется путем переаминирования.
Биологическое значение реакций трансаминирования:
1. Путь синтеза заменимых аминокислот.
2. Первая стадия непрямого (двухэтапного) дезаминирования аминокислот.
3. Посредством этих реакций осуществляется взаимосвязь обменов.
XVII. ПРЯМОЕ ДЕЗАМИНИРОВАНИЕ АМИНОКИСЛОТ. Образуется состветствующая кетокислота, NH3 и Н2O2.
Прямое дезаминирование аминокислот, как первый шаг катаболизма аминокислот, при участии L-аминооксидаз имеет место в печени и почках большинства млекопитающих. Однако активность этих флавиновых ферментов очень низка, а на глицин, аспарагиновую, глутаминовую кислоты и серин они вообще не действуют.
XVIII. Непрямое дезаминирование аминокислот.
Протекает в 2 этапа:
1. В результате реакций трансаминирования NH2-группы аминокислот собираются в составе глутамата.
2. Глутамат подвергается прямому дезаминированию в высокоактивной глутаматдегидрогеназной реакции (глутамат → NH3+альфа-кетогутарат).
XIX. Микросомальное окисление (монооксигеназное или гидроксилазное окисление) протекает на мембранах эндоплазматического ретикулума клеток, главным образом печени (также слиз. кишечника, легкие). Микросом в клетках нет (есть пероксисомы). Микросомы образуются при выделении мембран ЭПР из тканей (гомогенизацией и ультрацентифугированием).
S-СН3+О2+НАДФН2+цитохром Р450 →S-СН2ОН+Н2О+НАДФ+цитохром-Р450. Смысл: S-СН3- токсическое гидрофобное вещество становится S-СН2ОН - гидрофильным и менее токсичным и может выводится из организма.
1). Путь обезвреживания ксенобиотиков.
2). Путь инактивации эндогенных биологически активных веществ, нпр, стероидных гормонов.
3). Реакции микросомального окисления используются для синтеза стероидных гормонов, желчных кислот, активных форм витамина Д.
XX. Реакции трансметилирования. Трансметилирование – реакции по переносу метильной группы от источников до конечного субстрата. Источники метильной группы – серин и холин. Промежуточные переносчики – ТГФК и вит. В12. Универсальный донор метильной группы - аденозилметионин. Он и отдает метильную группу на многие субстраты.
1. Синтез креатина из гуанидинацетата.
2. Синтез адреналина из норадреналина.
3. Синтез фосфолипидов, например, синтез фосфатидилхолина из фосфатидилэтаноламина.
4. Обезвреживание ксенобиотиков.
5. Метилирование азотистых оснований нуклеиновых кислот.
Схема трансметилирования
сер ТГФК ТГФК S-АМ субстрат
гли метилен метил S-АГ субстрат СН 3
ТГФК ТГФК
холин
