Лекции по "Биохимии"

в цикле Кребса в результате реакций дегидрирования образуется 4 пары водородных атомов и 2 молекулы СО2. Освободившийся в ходе процесса окисления водород поступает в цепь биологического окисления и в конечном итоге окисляется молекулярным кислородом с образованием воды и выделением энергии.

При окислении в цикле  ди- и трикарбоновых кислот одной молекулы ацетил-КоА образуется 12 молекул АТФ, из которых одиннадцать возникает путем окислительного фосфорилирования, а одна при субстратном фосфорилировании (при превращении сукцинил-КоА в янтарную кислоту).При окислении большинства субстратов в цепи биологического окисления происходит образование 3-х молекул АТФ, тогда как окисление некоторых из них (например, в случае янтарной кислоты) дает 2 молекулы АТФ. Энергетический баланс анаэробного и аэробного окисления глюкозы представляет следующую картину.

1. Две молекулы АТФ  — это чистый прирост АТФ  при превращениях глюкозы до  пировиноградной кислоты в анаэробной  фазе.

Глюкоза+2 НАД+ +2 АДФ+2 Фн-® 2 Пируват+2 НАДН+2 АТФ

2. Четыре молекулы АТФ  образуются в результате окисления  двух молекул НАДН, возникших  при дегидрировании двух молекул  3-фосфоглицеринового альдегида  (рис. 13). В связи с тем, что  эти две молекулы НАДН являются  цитоплазматическими, то отдаваемые  ими электроны могут включиться  в митохондриальную цепь биологического окисления не прямым путем, а с помощью так называемого челночного механизма. Суть этого механизма состоит в том, что сначала цитоплазматический НАДН реагирует с фосфодиоксиацетоном и образует глицерол-3-фосфат.

Фосфодиоксиацетон+НАДН    ¬¾    Глицерол-3-фосфат+НАД+ 

                                                    ¾®

Г'лицерол-3-фосфат легко  проникает через митохондриальную мембрану и окисляется с участием флавинзависимой дегидрогеназы в фосфодиоксиацетон, причем простетическая флавиновая  группа восстанавливается.

Глицерол-3-фосфат+Фл. пр.     ¾¾®  Фосфодиоксиацетон+

4-фл. пр. Н2. Фосфодиоксиацетон выходит из митохондрий, а восстановленный флавопротеид (Фл. пр. Н2) передает приобретенные электроны в цепь биологического окисления, обеспечивая окислительное фосфорилирование только двух молекул АДФ.

3. Шесть молекул АТФ  возникают в процессе окислительного  де-карбоксилирования двух молекул пировиноградной кислоты, образовавшихся в анаэробной .фазе из одной молекулы глюкозы.

4. При полном окислении  двух молекул ацетил-КоА в цикле Кребса возникает 24 молекулы АТФ. В итоге полного аэробного окисления одной молекулы глюкозы синтезируется 36 молекул ЛТФ. При анаэробном гликолизе (брожении) на одну молекулу глюкозы образуется всего 2 молекулы АТФ. Таким образом, «выход» энергии, запасаемой в виде АТФ при кислородном распаде глюкозы, в 18 раз больше, чем при анаэробном.

Окисление высших жирных кислот 
 
Источники ВЖК: 
 
- липиды жировой ткани 
- липопротеины 
-триацилглицерины 
-фосфолипиды клеточных биомембран 
 
Окисление ВЖК происходят в митохондриях клеток, и называется бетта окислением. Доставка их к тканям и органам происходит при участии альбумина, а транспорт из цитоплазмы в митохондрии при участии карнитина. 
Процесс бета-окисления ВЖК складывается из следующих этапов: 
-активация ВЖК на наружной поверхности мембраны митохондрий при участии АТФ, конзима А и ионов магния с образованием активной формы ВЖК (ацил - КоА). 
-транспорт жирных кислот внутрь митохондрий возможен при присоединении активной формы жирной кислоты к карантину, находящемуся на наружной поверхности внутренней мембраны митохондрий. Образуется ацил-карнитин, обладающий способностью проходить через мембрану. На внутренней поверхности комплекс распадается и карнитин возвращается на наружную поверхность мембраны. 
-внутримитохондриальное окисление жирных кислот состоит из последовательных ферментативных реакций. В результате одного завершенного цикла окисления происходит отщепление от жирой кислоты одной молекулы ацетил-КоА, т.е. укорочение жирнокислотной цепи на два углеродных атома.Приэтом в результате двух дегидрогеназных реакций восстанавливается ФАД до ФАДН₂ и НАД⁺ до НАДН₂. 
 
 
 
рис. Окисление высших жирных кислот 
 
Т.о. завершая 1 цикл бега - окисления ВЖК, в результате которого ВЖК укоротилось на 2 углеродных звена. При бета -окислении выделилось 5АТФ и 12АТФ выделилось при окислении АЦЕТИЛ-КОА в ЦТК и сопряженных с ним ферментов дыхательной цепи. Окисление ВЖК будет происходить циклически одинаково, но только до последней стадии - стадии превращения масляной кислоты (БУТИРИЛ-КОА), которая имеет свои особенности, которые необходимо учитывать при подсчёте суммарного энергетического эффекта окисления ВЖК, когда в результате одного цикла образуется 2 молекулы АЦЕТИЛ-КОА, одна из них проходила бета -окисление с выделением 5АТФ, а другая нет.

 Окисление глицерина 
Окисление глицерина в тканях тесно связано с ГЛИКОЛИЗОМ, в который вовлекаются метаболиты обмена глицерина по следующей схеме: 
 
 
 
При окислении глицерина образовались конечные продукты: 
СО2 на этапе превращения: 
1. ПИРУВАТА 
2. ИЗОЦИТРАТА 
3. Альфа-КЕТОГЛУТАРАТА 
Н₂О на этапе превращения: 
1 . альфа -ГЛИЦЕРОФОСФАТА 
2. ГЛИЦЕРАЛЬДЕГИД-3-ФОСФАТА 
3. 2-ФОСФОГЛИЦЕРАТА 
4. ПИРУВАТА 
5. ИЗОЦИТРАТА 
6. Альфа-КЕТОГЛУТАРАТА 
7. СУКЦИНАТА 
8. МАЛАТА 
АТФ выделилось за счёт реакций 
А) Субстратного фосфорилиования на этапах превращения: 
1. 1,3-дифосфоглицерата 
2.2-фосфоенолпирувата 
3.Сукцинил-КоА 
Б) Окислительного фосфорилирования на этапах превращения: 
1.Альфа-глицерафосфата 
2.Глицеральдегид-3 фосфата 
3.Пирувата 
4.Изоцитрата 
5. Альфа-КЕТОГЛУТАРАТА 
6.Сукцината 
7.Малата 
Суммарный энергетический эффект окисления одной молекулы глицерина равен 22 АТФ. 
 
Биосинтез ВЖК в тканях 
Биосинтез ВЖК происходит в эндоплазматической сети клеток. Заменимые ВЖК (все предельные и непредельные, имеющих одну двойную связь) синтезируются в клетках из АЦЁТИЛ-КоА. 
Условиями для биосинтеза ВЖК являются: 
1.Наличие АЦЕТИЛ-КоА, АТФ, СО₂, Н₂О, НАДФ*Н₂,  
2.Наличие специальных белков-переносчиков (HS -АПБ). 3.Наличие ферментов синтеза. 
Процесс биосинтеза циклический. Каждый цикл включает в себя 6 этапов:  
1 этап- образование 3-углеродного соединения - МАЛОНИЛ-КОА; 
2 этап- перенос МАЛОНИЛА и АЦЕТИЛА на специальные белки ( HS-АПБ); 
3. этап- конденсация МАЛОНИЛА-АПБ и АЦЕТИЛА-АПБ с участием СИНТАЗЫ; 
4. этап- восстановление бета -КЕТОАЦИЛ-АПБ; 
5.этап- дегидратация бета-ГИДРОКСИАЦИЛ-АПБ; 
6.этап- восстановление ЕНОИЛАЦИЛ-АПБ. 
Т.о. завершается 1 цикл синтеза ВЖК образованием масляной кислоты (БУТИРИЛ-АПБ). В дальнейшем последовательно и циклично к ней будут присоединяться молекулы МАЛОНИЛ-КоА. Завершается биосинтез любой ВЖК в тканях ДЕАЦИЛАЗНОЙ реакцией 
рис. Биосинтез ВЖК 
 
.

2.1.4. Анаэробный метаболизм углеводов

Развивается гипоэнергетическое состояние, которое может стать причиной гибели клеток.

В подобного рода условиях в клетках  различных органов и тканей включаются механизмы, обеспечивающие клетки энергией, не зависящие от наличия кислорода. Основными из них являются анаэробное окисление глюкозы - анаэробный гликолиз, и анаэробное расщепление гликогена - гликогенолиз. В анаэробных условиях расщепление глюкозы и гликогена идет абсолютно идентичными по сравнению с ранее рассмотренными нами метаболическими путями вплоть до образования пирувата. в анаэробных условиях пировиноградная кислота восстанавливается в молочную кислоту. Реакция катализируется ферментом лактатдегидрогеназой:

Разумеется, расщепление глюкозы до лактата сопровождается высвобождением лишь 1/12 - 1/13 всей заключенной в химических связях глюкозы энергии ( ~ 50 ккал/моль ), тем не менее на каждую распавшуюся в ходе анаэробного гликолиза молекулу глюкозы клетка получает 2 молекулы АТФ (2 АТФ расходуется и 4 АТФ синтезируется). При гликогенолизе клетка получит 3 молекулы АТФ на каждый остаток глюкозы из молекулы гликогена ( 1 АТФ расходуется и 4 АТФ синтезируется ). Несмотря на очевидную невыгодность в отношении количества высвобождаемой энергии анаэробные гликолиз и гликогенолиз позволяют клеткам существовать в условиях отсутствия кислорода. Анаэробный путь окисления глюкозы и анаэробное расщепление гликогена играют важную роль в обеспечении клеток энергией, вопервых, в условиях высокой экстренно возникающей функциональной нагрузки на тот или иной орган или организм в целом, примером чего может служить бег спортсмена на короткую дистанцию. Во-вторых, эти процессы играют большую роль в обеспечении клеток энергией при гипоксичеких состояниях, например, при тромбозах артерий в период до развития коллатерального кровообращения или при тяжелых шоковых состояниях с выраженными расстройствами гемодинамики.

Активация анаэробного окисления углеводов  приводит к увеличению продукции  лактата в клетках и тканях. При сохранении кровообращения этот наработанный в клетках лактат выносится кровью и основная его часть метаболизируется в печени или в сердечной мышце. В миокарде лактат окисляется до углекислого газа и воды; в печени же лишь примерно 1/5 поступающего лактата подвергается окислению до конечных продуктов, а 4/5 - ресинтезируются в глюкозу в ходе интенсивно идущего в печени процесса глюконеогенеза.

Если  же вынос лактата из гипоксической ткани невозможен, то при его накоплении в клетках за счет повышения концентрации протонов ингибируется фосфофруктокиназа, в результате чего ингибируются и гликолиз, и гликогенолиз. Клетки, лишенные последних источников энергии, обычно погибают, что наблюдается при инфарктах различных органов, в особенности при инфаркте миокарда.

Следует заметить, что в клетках некоторых  органов и тканей человека образование  молочной кислоты происходит и в  обычных, т.е. в аэробных условиях. Так. в эритроцитах, не имеющих митохондрий. все необходимое для них количество энергии вырабатывается в ходе гликолиза. К тканям с относительно высоким  уровнем аэробного гликолиза  относятся также сетчатка глаза  и кожа. Высокий уровень аэробного  гликолиза присущ также многим опухолям.

Биосинтетические  процессы, протекающие в клетках, нуждаются не только в энергии, им необходимы также восстановительные  эквиваленты в виде НАДФН+Н+и целый ряд моносахаридов, имеющих в своем составе пять атомов углерода,такие как рибоза,ксилоза и др.Образование восстановленного НАДФ идет в пентозном цикле окисления углеводов, а образование пентоз может происходить как в пентозном цикле окисления, так и в других метаболических путях.