Контрольная работа по "Биохимии"

Аэробная фаза 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-К₀А - 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 (К₀А), 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. 3):

 

 

Рис. 3. Схема превращения пировиноградной кислоты в ацетил-К0А

Ацетил-К0А включается в превращения ЦТКК, где окисляется до СO2 и Н2O. Включение ацетил-К₀А в превращения ЦТКК не требуй затрат энергии, т.к. ацетильная группа в соединении с К0А находится в активированной форме. Превращения цикла трикарбоновых кислот представлены на рис. 4.

Окислительное декарбоксилированис  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.

Рис. 4. Общая схема превращений цикла трикарбоновых кислот

 

Рассмотрим последовательные реакции цикла трикарбоновых  кислот. Превращения цикла трикарбоновых  кислот начинаются с взаимодействия ацетил- К0А с щавелевоуксусной кислотой (оксалоацетатом), катализируемого ферментом цитратсинтетазой. Еще одним участником этой реакции является молекула воды. В результате образуется лимонная кислота (нитрат) и свободный К₀А (рис. 5).

 

Рис. 5. 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 СO₂. Итогом этой реак ции является а-кетоглютаровая кислота, содержащая на один атом углерода меньше, чем изолимонная, и восстановленная форма кофермента дегидрогеназы (НАД-Н2).

Образовавшаяся в ходе этой реакции  а-кетоглютаровая кислота (α-кетоглютарат) подвергается повторному окислению  НАД-зависимой дегидрогеназой, приводящему  к потере двух атомов водорода, и декарбоксилированию (отщеплению СO₂). В реакции участвуем также кофермент А. В результате этой реакции образуется комплексное соединение К₀А с укороченной (по сравнению с а-кетоглютаровой кислотой) еще на один атом углерода янтарной кислотой - сукцинил-К₀А и восстановленная форма дегидрогеназы (НАД-Н2).

Сукцинил связан с  К₀А макроэргической связью; дальнейшие превращения сукцинил- К0А обеспечивают трансформацию этой энергии в более удобную для организма форму – гуанозитрифосфат (ГТФ). Реализуется это через реакцию с участием сукцинил- К₀А, свободной фосфорной кислоты и ГДФ (гуанозиндифосфата). Образование в этой реакции ГТФ отностится к так называемому 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- К0А, 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 связаны 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- К0А 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 х 3 АТФ = 9 АТФ,

1 молекула ФАД-Н₂ х 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-К0А, 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-К₀А служит субстратом для синтеза гема, а-кетоглутарат для синтеза глютаминовой кислоты и т.п. Следовательно, ЦТКК относит' ся к амфиболическим процессам, связывая воедино катаболические анаболические процессы.

 

Вопрос 4. Какие химические превращения происходят в организме человека в период восстановления после тренировочного занятия? Что понимается под гетерохронностью восстановления? Какие средства и методы могут быть использованы для ускорения восстановления? Дайте обоснование использования этих средств и методов.

После завершения мышечной работы в организме разворачиваются  биохимические процессы, обеспечивающие восстановление организма. В основе восстановления лежит особое свойство, характерное для всех живых организмов: реакция распада какого-либо вещества вызывает или усиливает реакцию синтеза этого вещества.

После завершения мышечной работы снижается интенсивность  катаболических процессов, резко усиливаются анаболические. Они направлены на восстановление расщепленных во время работы энергетических субстратов, разрушенных клеточных структур, белков-ферментов и других веществ, содержание которых снизилось за время работы. Кроме того, устраняются накопленные во время работы промежуточные продукты обмена, происходит восстановление гормонального   статуса,   водного   и   минерального   баланса,   кислотно-основного  равновесия,  активности   ферментов.  Восстанавливаются параметры организма. Устранение отдельных веществ тесно связано с ресинтезом разрушенных за работу соединений: они служат исходным сырьем для восстановительных процессов. Так, для восстановления креатинфосфата используются накопленные за работу креатин и фосфорная кислота, часть образованной в период работы молочной кислоты используется для ресинтеза гликогена и т.п.

Гетерохронность восстановительных процессов

Происходящие в период восстановления процессы характеризуются гетерохронностью (разновременностью). Необходимо отметить ряд общих закономерностей, характерных для восстановления любого из затраченных за работу веществ. Время восстановления того или иного соединения зависит от его исходного содержания, степени расходования, особенностей расходования (как правило, быстрее восстанавливаются те вещества, которые тратятся более быстро). По ходу восстановления меняется скорость восстановительных процессов. Как правило, она постепенно уменьшается. Сказанное в первую очередь относится к восстановительным процессам, осуществляемым за счет внутренних ресурсов: восстановлению запасов АТФ, креатинфосфата, устранению накопленных продуктов обмена. Другие восстановительные процессы могут происходить (частично или полностью) за счет внешних ресурсов - поступающих извне пищевых продуктов (например, синтез гликогена из глюкозы, белков из аминокислот и т.п.) Скорость таких восстановительных процессов во многом определяется поступлением исходных субстратов.

Поскольку восстановление затраченных за работу веществ - энергоемкий  процесс, на скорость его протекания существенное влияние может оказывать доступность энергетических субстратов, уровень развития системы аэробного энергообеспечения - основного пути обеспечения энергией восстановительных процессов.

Наиболее быстро восстанавливаются  запасы кислорода в организме (в гемоглобиновом и миоглобиновом депо). На это уходит менее одной минуты. Практически так же быстро восстанавливается содержание АТФ, хотя оно и остается несколько пониженным по сравнению с уровнем покоя. Высокая скорость восстановления указанных веществ связана, в первую очередь, с тем, что содержание АТФ (как запасы кислорода) не столь значительно изменяется при работе.

Несколько более медленно восполняются запасы креатинфосфата. При значительных тратах этого соединения (до 70-90 % от исходного уровня) половинное время восстановления (время, в течение которого восстанавливается половина затраченного) составляет 2-4 мин. В дальнейшем скорость восстановления замедляется и полностью исходный уровень креатинфосфата восстановится через 10-20 мин по окончания работы.

Следует, однако, заметить, что это может произойти в  благоприятных условиях: когда выполнена  однократная или небольшого объема повторная работа скоростно-силового характера, когда практически весь образовавшийся при расщеплении креатинфосфата креатин остается в мышечной ткани. При повторной мышечной работе скоростно-силового плана часть креатина выходит из мышечной ткани в кровь, при этом некоторое его количество подвергается необратимым превращениям в креатинин.

С восстановлением креатинфосфата связана ликвидация быстрой фракции кислородного долга - кислорода, потребляемого в период восстановления после окончания работы сверх уровня покоя. Этот дополнительно потребляемый кислород обеспечивает ресинтез АТФ, используемой для восстановления креатинфосфата из креатина. Скорость ликвидации этой фракции кислородного долга хорошо коррелирует со скоростью восстановления креатинфосфата. В состав быстрой фракции кислородного долга входит кислород, депонируемый в гемоглобине крови и миоглобине мышц, а также кислород, используемый для обеспечения энергией интенсивно работающих дыхательной и сердечно-сосудистой систем.

Медленнее протекает  процесс устранения накопленной  за работу молочной кислоты. В зависимости  от ее количества этот процесс может продолжаться от 15-20 мин до 1,5 и более часов. На скорость устранения молочной кислоты оказывает влияние поведение человека, ряд других факторов. Выполнение легкой работы ускоряет этот процесс. Аналогичное влияние оказывают такие воздействия на организм человека, которые ускоряют кровообращение, усиливают работу сердца: массаж, парная баня.

Одновременно с устранением  молочной кислоты нормализуется  кислотно-основное равновесие организма.

С устранением  молочной кислоты связан  процесс ликвидации медленной фракции кислородного долга. В этой фракции кислородного долга отражается не только процесс ресинтеза гликогена из молочной кислоты, требующий для своего протекания затрат энергии АТФ. В эту фракцию включается кислород, используемый для ресинтеза АТФ, идущей на обеспечение энергией интенсивно работающих дыхательной и сердечно-сосудистой систем, а также дополнительное количество кислорода, потребляемое в связи со снижением эффективности аэробного окисления.