Энергетический обмен и общий путь катаболизма.

1. Понятие  о метаболизме (промежуточном обмене веществ). Основные функции метаболизма.

2. Автотрофные и гетеротрофные организмы.  Роль фототрофов в преобразовании солнечной энергии.

3. Катаболические  и анаболические пути обмена веществ.  Взаимосвязь процессов катаболизма и анаболизма. Амфиболические пути.

4. Стадии катаболизма основных классов питательных веществ: локализация, конечные продукты, относительная энергоотдача. Понятие об общем и специфических путях катаболизма.  Узловые (ключевые) метаболиты, примеры.

5. Окислительное  декарбоксилирование  пирувата:  локализация  в клетке, состав мультифермента,  роль коферментов. Формулы коферментов: ТДФ, липоевая кислота,  ФАД, НАД. Факторы, влияющие на активность пируватдегидрогеназного комплекса.

6. Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК):  локализация в клетке, последовательность реакций,  ферменты,  коферменты.  Регуляторные  ферменты ЦТК, их эффекторы. Биологическая роль ЦТК.

7. Амфиболическая функция ЦТК.  Примеры реакций, пополняющих фонд оксалоацетата в митохондриях.

Раздел 13.1	Общая характеристика обмена веществ. Две стороны (фазы) метаболизма.
13.1.1. Метаболизм (обмен веществ) – совокупность химических реакций, протекающих в живой клетке. Эти реакции протекают в определённой последовательности и тесно связаны между собой. Главные функции метаболизма в клетке: а) запасание энергии, которая добывается путем расщепления пищевых веществ, поступающих в организм, или путем преобразования энергии солнечного света; б) превращение молекул пищевых веществ в строительные блоки; в) сборку белков, нуклеиновых кислот, липидов, полисахаридов и прочих клеточных компонентов из этих строительных блоков; г) синтез и разрушение тех биомолекул, которые необходимы для выполнения специфических функций данной клетки. 13.1.2. Метаболизм включает множество метаболических путей. Метаболический путь - определенная последовательность ферментативных реакций в клетке. Промежуточные продукты реакций метаболического пути называются метаболитами. На каждой из стадий метаболического пути происходит небольшое химическое изменение метаболитов. В результате этих превращений исходная молекула превращается в конечный продукт метаболического пути. 13.1.3. Большинство метаболических путей являются линейными (рисунок 13.1, а), но встречаются и циклические метаболические пути (рисунок 13.1, б). Обычно метаболические пути имеют разветвления, в которых одни вещества выходят из цепи реакций данного пути, а другие, наоборот, включаются в него (рисунок 13.1, в). Рисунок 13.1. а. Линейный метаболический путь (схема). Предшественник А превращается в продукт F в результате пяти последовательных реакций. Продукт одной ферментативной реакции служит при этом субстратом следующей. б. Циклический путь (схема). Конечным продуктом такого пути является один из субстратов первой ферментативной реакции. Таким путём происходит окисление ацетильной группы до СО2 и Н2О в цикле Кребса. в. Разветвлённый метаболический путь (схема). Метаболит D выходит из цепи реакций данного пути, превращаясь в метаболит G, а вещество К, наоборот, включается в него. Обратите внимание, что главные метаболические пути немногочисленны и одинаковы у большинства живых организмов. Именно эти пути представляют для нас наибольший интерес. Рассмотрению их будут посвящены разделы 13.3. и 13.4 настоящей темы. 13.1.4. Две стороны (фазы) метаболизма. Метаболизм складывается из двух противоположных сторон : катаболизма и анаболизма. Катаболизм – это фаза, в которой происходит последовательное расщепление сложных молекул до более простых, таких, как СО2, вода и аммиак. Процессы катаболизма сопровождаются выделением энергии. Эта энергия частично аккумулируется в форме макроэргического соединения – аденозинтрифосфата (АТФ). Анаболизм – это фаза метаболизма, в которой происходит образование (биосинтез) сложных молекул (белков, липидов, полисахаридов) из простых предшественников. Процессы биосинтеза протекают с затратой энергии. Источником этой энергии служит распад АТФ до АДФ и неорганического фосфата. Метаболические пути, выполняющие как катаболическую, так и анаболическую функцию, называют амфиболическими. 13.1.5. Катаболическая и анаболическая фазы метаболизма тесно связаны между собой (рисунок 13.2): а) Энергия, выделяемая в реакциях катаболизма, и аккумулированная в форме молекул АТФ, потребляется в анаболических процессах. б) В реакциях катаболизма образуются простые метаболиты, которые могут использоваться в реакциях биосинтеза (анаболизма). Рисунок 13.2. Взаимосвязь путей катаболизма и анаболизма

Раздел 13.2	Стадии катаболизма питательных веществ.
13.2.1. Как уже было сказано (раздел 13.1), катаболизм – совокупность химических реакций превращения высокомолекулярных соединений в низкомолекулярные. Это сложный ферментативный процесс, в котором принято выделять три основные стадии (рисунок 13.3). Для каждой стадии запомните, какие вещества вступают и образуются, локализацию в организме и энергетическую значимость. Рисунок 13.3. Три стадии катаболизма питательных веществ (обозначены римскими цифрами). 13.2.2. На первой стадии крупные биомолекулы расщепляются на составляющие их строительные блоки: полисахариды превращаются в пентозы и гексозы, жиры – в жирные кислоты, глицерол и другие компоненты, белки – в аминокислоты. Это происходит в желудочно-кишечном тракте, а также в лизосомах клетки. Реакции катализируют ферменты, относящиеся к классу гидролаз. Относительная энергоотдача составляет менее 1% всей высвобождаемой энергии. На второй стадии строительные блоки превращаются в более простые молекулы. Моносахариды, глицерол и большинство аминокислот расщепляются до одного и того же трёхуглеродного метаболита – пирувата. Это происходит в цитоплазме клеток. В дальнейшем пируват, а также жирные кислоты и некоторые аминокислоты окисляются до ацетильного остатка, связанного с коэнзимом А (ацетил-КоА). Эти реакции протекают уже в митохондриях клетки. Пируват и ацетил-КоА, находящиеся на пересечении нескольких метаболических путей, можно отнести кключевым или узловым метаболитам. Относительная энергоотдача второй стадии катаболизма около 20%; выделяемая энергия может быть частично аккумулирована в виде АТФ. На третьей стадии происходит окисление ацетильной группы в цикле трикарбоновых кислот Кребса до СО2 и восстановленных форм коферментов НАД и ФАД. Эти коферменты окисляются в дыхательной цепи до Н2О; выделяемая энергия аккумулируется в АТФ. Все эти реакции протекают в митохондриях. Относительная энергоотдача третьей стадии - около 80%. 13.2.3. Различают общий и специфические пути катаболизма. К специфическим путям катаболизма веществ того или иного класса относят главным образом реакции первой и второй стадии катаболизма, которые для каждого класса могут существенно различаться. Третья стадия, одинаковая для всех классов питательных веществ, называется общим путём катаболизма.

Раздел 13.3	Окислительное декарбоксилирование пирувата.
13.3.1. Заключительной реакцией второй стадии катаболизма питательных веществ является окислительное декарбоксилирование пирувата. Пируват подвергается окислительному декарбоксилированию до ацетил-коэнзима А (ацетил-КоА) в митохондриях клеток при участии пируватдегидрогеназного комплекса. Пируватдегидрогеназный комплекс – мультифермент, в состав которого входит 3 фермента: 1) пируватдекарбоксилаза (коферментом служит производное витамина В1 - тиаминдифосфат, ТДФ, формулу его см. в теме «Коферменты»); 2) трансацилаза (кофермент – липоевая кислота, ЛК, см. рисунок 13.4); Рисунок 13.4. Липоевая кислота (витаминоподобное вещество). 3) дигидролипоилдегидрогеназа (в качестве кофермента используется производное витамина В2 – флавинадениндинуклеотид, ФАД, формулу его см. в теме «Коферменты»). В реакции участвуют также два кофермента: коэнзим А (НSКоА, производное витамина В3) и никотинамидадениндинуклеотид (НАД, производное витамина РР), связанные при помощи нековалентных связей соответственно с трансацилазой и дигидролипоилдегидрогеназой. 13.3.2. Суммарное уравнение реакции, катализируемой пируватдегидрогеназным комплексом: Схема работы этого мультиферментного комплекса представлена на рисунке 13.5. Рисунок 13.5. Окислительное декарбоксилирование пирувата (схема). Ацетил-КоА затем подвергается окислению в цикле Кребса, а НАДН служит донором водорода для дыхательной цепи. Процесс является аэробным, т.к. конечный акцептор водорода НАДН – кислород. Скорость реакции снижается при накоплении в клетке ацетил-КоА, НАДН и АТФ, увеличивается – при возрастании концентрации АДФ. Регуляторным ферментом комплекса является пируватдекарбоксилаза. Аналогично происходит окислительное декарбоксилирование α-кетоглутарата – одного из метаболитов цикла Кребса. Реакцию катализирует α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс, сходный с пируватдегидрогеназным комплексом (см. раздел 13.4, рис. 13.7, реакция 5).

Раздел 13.4	Цикл трикарбоновых кислот Кребса.
13.4.1. Реакции цикла Кребса относятся к третьей стадии катаболизма питательных веществ и происходят в митохондриях клетки. Эти реакции относятся к общему пути катаболизма и характерны для распада всех классов питательных веществ (белков, липидов и углеводов). Главной функцией цикла является окисление ацетильного остатка с образованием четырёх молекул восстановленных коферментов (трёх молекул НАДН и одной молекулы ФАДН2), а также образование молекулы ГТФ путём субстратного фосфорилирования. Атомы углерода ацетильного остатка выделяются в виде двух молекул СО2. 13.4.2. Цикл Кребса включает 8 последовательных стадий, обращая особое внимание на реакции дегидрирования субстратов: Рисунок 13.6. Реакции цикла Кребса, включая образование α-кетоглутарата а) конденсация ацетил-КоА с оксалоацетатом, в результате которой образуется цитрат (рис.13.6, реакция 1); поэтому цикл Кребса называют также цитратным циклом. В этой реакции метильный углерод ацетильной группы взаимодействует с кетогруппой оксалоацетата; одновременно происходит расщепление тиоэфирной связи. В реакции освобождается КоА-SH, который может принять участие в окислительном декарбоксилировании следующей молекулы пирувата. Реакцию катализирует цитратсинтаза, это – регуляторный фермент, он ингибируется высокими концентрациями НАДН, сукцинил-КоА, цитрата. б) превращение цитрата в изоцитрат через промежуточное образование цис-аконитата. Образующийся в первой реакции цикла цитрат содержит третичную гидроксильную группу и не способен окисляться в условиях клетки. Под действием фермента аконитазы идёт отщепление молекулы воды (дегидратация), а затем её присоединение (гидратация), но другим способом (рис.13.6, реакции 2-3). В результате данных превращений гидроксильная группа перемещается в положение, благоприятствующее её последующему окислению. в) дегидрирование изоцитрата с последующим выделением молекулы СО2 (декарбоксилированием) и образованием α-кетоглутарата (рис. 13.6, реакция 4). Это – первая окислительно-восстановительная реакция в цикле Кребса, в результате которой образуется НАДН. Изоцитратдегидрогеназа, катализирующая реакцию, - регуляторный фермент, активируется АДФ. Избыток НАДН ингибирует фермент. Рисунок 13.7. Реакции цикла Кребса, начиная с α-кетоглутарата. г) окислительное декарбоксилирование α-кетоглутарата, катализируется мультиферментным комплексом (рис. 13.7, реакция 5), сопровождается выделением СО2 и образованием второй молекулы НАДН. Эта реакция аналогична пируватдегидрогеназной реакции. Ингибитором служит продукт реакции – сукцинил-КоА. д) субстратное фосфорилирование на уровне сукцинил-КоА, в ходе которого энергия, освобождающаяся при гидролизе тиоэфирной связи, запасается в форме молекулы ГТФ. В отличие от окислительного фосфорилирования, этот процесс протекает без образования электрохимического потенциала митохондриальной мембраны (рис. 13.7, реакция 6). е) дегидрирование сукцината с образованием фумарата и молекулы ФАДН2 (рис. 13.7, реакция 7). Фермент сукцинатдегидрогеназа прочно связан с внутренней мембраной митохондрии. ж) гидратация фумарата, в результате чего в молекуле продукта реакции появляется легко окисляемая гидроксильная группа (рис. 13.7, реакция 8). з) дегидрирование малата, приводящее к образованию оксалоацетата и третьей молекулы НАДН (рис.13.7, реакция 9). Образующийся в реакции оксалоацетат может вновь использоваться в реакции конденсации с очередной молекулой ацетил-КоА (рис. 13.6, реакция 1). Поэтому данный процесс носит циклический характер. 13.4.3. Таким образом, в результате описанных реакций подвергается полному окислению ацетильный остаток СН3-СО-. Количество молекул ацетил-КоА, превращаемых в митохондриях в единицу времени, зависит от концентрации оксалоацетата. Основные пути увеличения концентрации оксалоацетата в митохондриях (соответствующие реакции будут рассмотрены позднее): а) карбоксилирование пирувата – присоединение к пирувату молекулы СО2 с затратой энергии АТФ; б) дезаминирование или трансаминирование аспартата – отщепление аминогруппы с образованием на её месте кетогруппы. 13.4.4. Некоторые метаболиты цикла Кребса могут использоваться для синтеза структурных блоков для построения сложных молекул. Так, оксалоацетат может превращаться в аминокислоту аспартат, а α–кетоглутарат – в аминокислоту глутамат. Сукцинил-КоА принимает участие в синтезе гема – простетической группы гемоглобина. Таким образом, реакции цикла Кребса могут участвовать как в процессах катаболизма, так и анаболизма, то есть цикл Кребса выполняет амфиболическую функцию (см. 13.1).

Раздел 13.5	Примеры обучающих задач и методов их решения.
Вопросы для повторения. 1. Дайте определение понятия «метаболизм» и перечислите его основные функции. 2. Что понимают под процессами катаболизма и анаболизма в организме? Какая взаимосвязь существует между этими процессами? 3. Охарактеризуйте реакции первой стадии катаболизма питательных веществ в организме: укажите их локализацию, исходные вещества и образующиеся продукты, относительную энергоотдачу. 4. Охарактеризуйте реакции второй стадии катаболизма питательных веществ в организме: укажите их локализацию, исходные вещества и образующиеся продукты, относительную энергоотдачу. 5. Что понимают под специфическим и общим путями катаболизма питательных веществ? Какие стадии катаболизма к ним относят? 6. Напишите суммарную реакцию окислительного декарбоксилирования пирувата. Укажите ферменты, входящие в состав мультиэнзимного комплекса. 7. Напишите формулу тиаминдифосфата, укажите его роль в пируватдегидрогеназной реакции и витамин, входящий в его состав. 8. Напишите формулу липоевой кислоты, укажите её роль в пируватдегидрогеназной реакции. Как осуществляется связь липоевой кислоты с апоферментом? 9. Как и почему изменится активность пируватдегидрогеназного комплекса при увеличении отношения АТФ/АДФ в клетке? Назовите механизм регуляции. 10. Как и почему изменится скорость окислительного декарбоксилирования пирувата при увеличении отношения НАДН/НАД+ в клетке? Назовите механизм регуляции. 11. Напишите начальную реакцию цикла трикарбоновых кислот, назовите фермент. В чём заключается биологическая роль цикла Кребса? 12. Напишите реакцию окисления изолимонной кислоты в цикле Кребса, укажите фермент, кофермент и витамин, входящий в его состав. 13. Напишите реакцию окислительного декарбоксилирования α-кетоглутаровой кислоты в цикле Кребса, укажите фермент, коферменты и витамины, входящие в их состав. 14. Напишите реакцию субстратного фосфорилирования в цикле Кребса, назовите фермент. В чём заключается биологическая роль субстратного фосфорилирования? 15. Напишите реакцию окисления янтарной кислоты в цикле Кребса, укажите фермент, кофермент и витамин, входящий в его состав. 16. Напишите реакцию окисления яблочной кислоты в цикле Кребса, укажите фермент. Почему цикл Кребса называют общим путём катаболизма? 17. Перечислите субстраты, подвергающиеся дегидрированию в реакциях цикла Кребса. Сколько и какие восстановленные формы коферментов образуются в этих реакциях? 18. Что понимают под амфиболической функцией цикла Кребса? Напишите анаплеротическую реакцию цикла Кребса. 19. Как и почему изменится скорость реакций ЦТК при уменьшении отношения АТФ/АДФ в клетке? Назовите механизм регуляции. 20. Как и почему изменится скорость реакций ЦТК при уменьшении отношения НАДН/НАД+ в клетке? Назовите механизм регуляции.

Митохондриальная дыхательная цепь и окислительное фосфорилирование

1. Структура митохондриальной дыхательной цепи, последовательность переноса протонов и электронов. Формулы акцепторов водорода: НАД, ФАД, КоQ. Роль кислорода в цепи переноса электронов.

2. Ферментные комплексы дыхательной цепи - состав, функции. Трансмембранный потенциал, его образование и использование. Роль внутренней митохондриальной мембраны.

3. Понятие об окислительном фосфорилировании. Коэффициент фосфорилирования (определение понятия, пример расчета). Роль АТФ-синтетазы. Основные направления использования АТФ в клетке. Формула АТФ.

4. Энергетический баланс (выход АТФ) окисления активного ацетата (ацетил-КоА) и пирувата.

5. Нефосфорилирующее или свободное окисление субстратов - биологическая роль. Разобщение окисления и фосфорилирования в митохондриях.

6. Вещества, влияющие на процессы окислительного фосфорилирования в митохондриях: ингибиторы дыхания, протонофоры, ионофоры.

Раздел 14.1	Дыхательная цепь и окислительное фосфорилирование.
14.1.1. В пируватдегидрогеназной реакции и в цикле Кребса происходит дегидрирование (окисление) субстратов (пируват, изоцитрат, α-кетоглутарат, сукцинат, малат). В результате этих реакций образуются НАДН и ФАДН2. Эти восстановленные формы коферментов окисляются в митохондриальной дыхательной цепи. Окисление НАДН и ФАДН2, протекающее сопряжённо с синтезом АТФ из АДФ и Н3РО4 называется окислительным фосфорилированием. Схема строения митохондрии показана на рисунке 14.1. Митохондрии представляют собой внутриклеточные органеллы, имеющие две мембраны: наружную (1) и внутреннюю (2). Внутренняя митохондриальная мембрана образует многочисленные складки – кристы (3). Пространство, ограниченное внутренней митохондриальной мембраной, носит название матрикс (4), пространство, ограниченное наружной и внутренней мембранами, - межмембранное пространство (5). Рисунок 14.1. Схема строения митохондрии. 14.1.2. Дыхательная цепь – последовательная цепь ферментов, осуществляющая перенос ионов водорода и электронов от окисляемых субстратов к молекулярному кислороду – конечному акцептору водорода. В ходе этих реакций выделение энергии происходит постепенно, небольшими порциями, и она может быть аккумулирована в форме АТФ. Локализация ферментов дыхательной цепи – внутренняя митохондриальная мембрана. Дыхательная цепь включает четыре мультиферментных комплекса (рисунок 14.2). Рисунок 14.2. Ферментные комплексы дыхательной цепи (обозначены участки сопряжения окисления и фосфорилирования): I. НАДН-KoQ-редуктаза (содержит промежуточные акцепторы водорода: флавинмононуклеотид и железосерные белки). II. Сукцинат-KoQ-редуктаза (содержит промежуточные акцепторы водорода: ФАД и железосерные белки). III. KoQН2-цитохром с-редуктаза (содержит акцепторы электронов: цитохромы b и с1, железосерные белки). IV. Цитохром с-оксидаза (содержит акцепторы электронов: цитохромы а и а3, ионы меди Cu2+). 14.1.3. В качестве промежуточных переносчиков электронов выступают убихинон (коэнзим Q) и цитохром с. Убихинон (KoQ) – жирорастворимое витаминоподобное вещество, способен легко диффундировать в гидрофобной фазе внутренней мембраны митохондрий. Биологическая роль коэнзима Q – перенос электронов в дыхательной цепи от флавопротеинов (комплексы I и II) к цитохромам (комплекс III). Цитохром с – сложный белок, хромопротеин, простетическая группа которого – гем – содержит железо с переменной валентностью (Fe3+ в окисленной форме и Fe2+ в восстановленной форме). Цитохром с является водорастворимым соединением и располагается на периферии внутренней митохондриальной мембраны в гидрофильной фазе. Биологическая роль цитохрома с – перенос электронов в дыхательной цепи от комплекса III к комплексу IV. 14.1.4. Промежуточные переносчики электронов в дыхательной цепи расположены в соответствии с их окислительно-восстановительными потенциалами. В этой последовательности способность отдавать электроны (окисляться) убывает, а способность присоединять электроны (восстанавливаться) возрастает. Наибольшей способности отдавать электроны обладает НАДН, наибольшей способностью присоединять электроны – молекулярный кислород. На рисунке 14.3 представлено строение реакционноспособного участка некоторых промежуточных переносчиков протонов и электронов в окисленной и восстановленной форме и их взаимопревращение. Рисунок 14.3. Взаимопревращения окисленных и восстановленных форм промежуточных переносчиков электронов и протонов. 14.1.5. Механизм синтеза АТФ описывает хемиосмотическая теория (автор - П. Митчелл). Согласно этой теории, компоненты дыхательной цепи, расположенные во внутренней митохондриальной мембране, в ходе переноса электронов могут «захватывать» протоны из матрикса митохондрий и передавать их в межмембранное пространство. При этом наружная поверхность внутренней мембраны приобретает положительный заряд, а внутренняя – отрицательный, т.е. создаётся градиент концентрации протонов с более кислым значением рН снаружи. Так возникает трансмембранный потенциал (ΔµН+). Существует три участка дыхательной цепи, на которых он образуется. Эти участки соответствуют I, III и IV комплексам цепи переноса электронов (рисунок 14.4). Рисунок 14.4. Расположение ферментов дыхательной цепи и АТФ-синтетазы во внутренней мембране митохондрий. Протоны, выведенные в межмембранное пространство за счёт энергии переноса электронов, снова переходят в митохондриальный матрикс. Этот процесс осуществляется ферментом Н+-зависимой АТФ-синтетазой (Н+-АТФ-азой). Фермент состоит из двух частей (см. рисунок 10.4): водорастворимой каталитической части (F1) и погружённого в мембрану протонного канала (F0). Переход ионов Н+ из области с более высокой в область с более низкой их концентрацией сопровождается выделением свободной энергии, за счёт которой синтезируется АТФ. 14.1.6. Энергия, аккумулированная в форме АТФ, используется в организме для обеспечения разнообразных биохимических и физиологических процессов. Запомните основные примеры использования энергии АТФ: 1) синтез сложных химических веществ из более простых (реакции анаболизма); 2) сокращение мышц (механическая работа); 3) образование трансмембранных биопотенциалов; 4) активный транспорт веществ через биологические мембраны.

Раздел 14.2	Коэффициент фосфорилирования.
14.2.1. Степень сопряжённости окисления и фосфорилирования в митохондриях характеризует коэффициент фосфорилирования (Р/О). Он равен отношению количества молекул неорганического фосфата (Н3РО4), перешедшего в АТФ, к количеству атомов потреблённого кислорода (О2). Например, если донором водорода для дыхательной цепи является молекула НАДН, то электроны от донора (НАДН) к акцептору (кислород) проходят 3 участка сопряжения окисления и фосфорилирования (I, III и IV ферментные комплексы дыхательной цепи). Таким образом, максимально может образоваться 3 молекулы АТФ (3 АДФ + 3 Н3РО4 → 3 АТФ). Затрачивается 1 атом кислорода (2 Н + О → Н2О). Значение коэффициента Р/О = 3/1 = 3. Если донором водорода будет молекула ФАДН2, то электроны в дыхательной цепи проходят 2 участка сопряжения окисления и фосфорилирования (III и IV ферментные комплексы дыхательной цепи). Таким образом, максимально может образоваться 2 молекулы АТФ (2 АДФ + 2 Н3РО4 → 2 АТФ). Затрачивается, как и в предыдущем случае, 1 атом кислорода (2 Н + О → Н2О). Значение коэффициента Р/О = 2/1 = 2. 14.2.2. Более сложный пример расчёта коэффициента фосфорилирования – при окислении пирувата до конечных продуктов - показан на рисунке 14.5. В этом метаболическом пути происходит дегидрирование 4 субстратов (пирувата, изоцитрата, α-кетоглутарата и малата) с образованием НАДН и одного субстрата (сукцината) с образованием ФАДН2. Восстановленные коферменты окисляются в дыхательной цепи, и в сопряжённых реакциях фосфорилирования образуется (4×3 АТФ + 1×2 АТФ)=14 молекул АТФ. Ещё 1 молекула АТФ (ГТФ) образуется в реакции субстратного фосфорилирования на уровне сукцинил-КоА. Таким образом, при полном окислении 1 молекулы пирувата образуется 15 молекул АТФ (из них 14 - путём окислительного фосфорилирования). Чтобы рассчитать количество потреблённого кислорода, нужно знать число реакций дегидрирования на данном участке метаболического пути. Для окисления каждой восстановленной формы кофермента необходим 1 атом кислорода (см. выше). Следовательно, в нашем примере потребляется 5 атомов кислорода. Значение коэффициента Р/О будет равно 14/5 = 2,8. Рисунок 14.5. Расчёт энергетического баланса реакций окислительного декарбоксилирования пирувата и цикла Кребса.

Раздел 14.3	Разобщение дыхания и фосфорилирования.
14.3.1. Перенос электронов в дыхательной цепи не во всех случаях протекает сопряжённо с фосфорилированием АДФ. Состояние, при котором окисление субстратов в дыхательной цепи происходит, но АТФ при этом не образуется, называется свободным (нефосфорилирующим) окислением. Энергия, выделяемая при окислении, рассеивается в виде теплоты. В физиологических условиях свободное окисление может служить одним из механизмов терморегуляции. В организме человека и некоторых животных имеется особая ткань – бурый жир, содержащий митохондрии, приспособленные для выработки теплоты. Много бурого жира у новорождённых, в последующие периоды жизни его количество уменьшается. В митохондриях бурого жира содержание дыхательных ферментов значительно выше, чем ферментов, осуществляющих фосфорилирование АДФ, поэтому в них преобладают процессы свободного окисления. Разобщение процессов окисления и фосфорилирования в митохондриях может иметь место при некоторых патологических состояниях. Основными симптомами таких состояний могут быть быстрая утомляемость, повышенная температура тела, снижение массы тела, несмотря на повышенный аппетит, учащение дыхания и сердцебиения. 14.3.2. Разобщение процессов окисления и фосфорилирования может быть вызвано действием ряда веществ, как природных, так и синтетических. Механизм действия этих веществ заключается в том, что они являются переносчиками протонов через мембрану. Вещества, разобщающие окисление и фосфорилирование, можно разделить на протонофоры и ионофоры. Протонофоры представляют собой слабые гидрофобные органические кислоты, которые в форме аниона (R-COO-) связывают протоны в межмембранном пространстве, диффундируют через мембрану и диссоциируют в матриксе с образованием протонов. К этой группе относятся, например, свободные жирные кислоты, гормоны щитовидной железы, салицилаты, дикумарол, 2,4-динитрофенол (см. рисунок 14.6). Рисунок 14.6. Механизм действия 2,4-динитрофенола. Ионофоры (валиномицин, нигерицин, грамицидин) способны встраиваться в мембрану, образуя канал, по которому могут перемещаться протоны и другие одновалентные катионы - Na+ или K+(рисунок 14.7). В результате снимается протонный потенциал и нарушается синтез АТФ. Рисунок 14.7. Валиномицин облегчает проникновение в клетку ионов Н+.

Биохимия питания и пищеварения. Переваривание и всасывание белков, жиров, углеводов.

1. Переваривание углеводов. Ферменты желудочно-кишечного тракта участвующие  в переваривании углеводов. Продукты, образующиеся при переваривании углеводов. Всасывание моносахаридов.

2. Переваривание липидов. Липазы и фосфолипазы. Продукты, образующиеся при переваривании липидов. Всасывание жирных кислот.

3. Желчные кислоты и парные желчные кислоты: строение, образование, биологическая роль. Энтерогепатическая циркуляция желчных кислот.

4. Переваривание белков. Протеиназы. Механизм активации протеиназ  желудочно-кишечного тракта. Эндопептидазы и экзопептидазы. Специфичность (избирательность) гидролиза пептидных связей. Гниение белков (аминокислот) в толстом кишечнике.

5. Роль гормонов желудочно-кишечного тракта (гистамина, гастрина, секретина, холецистокинина и соматостатина)  в регуляции секреции желудочного сока и сока поджелудочной железы. 

Раздел 10.1	Переваривание белков.
10.1.1. Переваривание белков, то есть расщепление их до отдельных аминокислот, начинается в желудке и заканчивается в тонком кишечнике. Переваривание происходит под действием желудочного, панкреатического и кишечного соков, которые содержат протеолитические ферменты (протеазы или пептидазы). Протеолитические ферменты относятся к классу гидролаз. Они катализируют гидролиз пептидных связей СО—NН белковой молекулы (рисунок 10.1): Рисунок 10.1. Гидролиз пептидных связей. 10.1.2. Все протеолитические ферменты можно разделить на две группы: экзопептидазы – катализируют разрыв концевой пептидной связи с освобождением N- или С-концевой аминокислоты; эндопептидазы – гидролизуют пептидные связи внутри полипептидной цепи, продуктами реакции являются пептиды с меньшей молекулярной массой. 10.1.3. Большинство протеолитических ферментов, участвующих в переваривании белков и пептидов, синтезируются и выделяются в полость пищеварительного тракта в виде неактивных предшественников – проферментов (зимогенов). Поэтому не происходит переваривания белков клеток, вырабатывающих проферменты. Активация проферментов осуществляется в просвете желудочно-кишечного тракта путём частичного протеолиза – отщепления части пептидной цепи зимогена. 10.1.4. Характеристика важнейших протеолитических ферментов приводится в таблице 10.1. Таблица 10.1 Некоторые протеолитические ферменты желудочно-кишечного тракта. Фермент Профермент Источник Активирующий фактор Место действия Оптимум рН Специфичность действия Пепсин Пепсиноген Желудочный сок Соляная кислота, аутокатализ Желудок 1,5 – 2,5 Эндопептидаза; разрыв связей: лей-глу; Х-фен; Х-тир Трипсин Трипсиноген Панкреатический сок Энтеропептидаза, аутокатализ Тонкий кишечник 7,5 – 8,5 Эндопептидаза; разрыв связей: арг-Х; лиз-Х Химотрипсин Химотрипсиноген Панкреатический сок Трипсин Тонкий кишечник 7,5 – 8,5 Эндопептидаза; разрыв связей: три-Х; фен-Х; тир-Х Карбоксипептидаза Прокарбоксипептидаза Панкреатический сок Трипсин Тонкий кишечник 7,5 – 8,5 Экзопептидаза; отщепление С-концевых аминокислот Аминопептидаза - Кишечный сок - Слизистая тонкого кишечника 7,5 – 8,5 Экзопептидаза; отщепление N-концевых аминокислот Примечание. Х – любая аминокислота.

Раздел 10.2	Гниение аминокислот в кишечнике и обезвреживание продуктов гниения.
10.2.1. Основная масса аминокислот, образовавшихся в пищеварительном тракте в результате переваривания белков, всасывается в кровь и пополняет аминокислотный фонд организма. Определённое количество невсосавшихся аминокислот подвергается гниению в толстом кишечнике. Гниение – превращения аминокислот, вызванные деятельностью микроорганизмов в толстом кишечнике. Усилению процессов гниения аминокислот могут способствовать: избыточное поступление белков с пищей; врождённые и приобретённые нарушения процесса всасывания аминокислот в кишечнике; снижение моторной функции кишечника. В результате гниения аминокислот образуются различные вещества, многие из которых являются токсичными для организма. Некоторые примеры продуктов гниения приводятся в таблице 10.2. Таблица 10.2 Продукты гниения аминокислот в кишечнике. Аминокислоты Продукты гниения Тирозин Крезол Фенол Триптофан Скатол Индол Цистеин, Метионин Метилмеркаптан Сероводород Лизин Кадаверин Орнитин Путресцин 10.2.2. Продукты гниения аминокислот являются ксенобиотиками – веществами, чужеродными для организма человека и должны быть обезврежены (инактивированы). Обезвреживание продуктов гниения аминокислот происходит в клетках печени после поступления веществ из кишечника с кровью воротной вены. Продукты обезвреживания хорошо растворяются в воде и поэтому легко выводятся из организма. Процесс обезвреживания включает, как правило, две фазы (стадии): фазу модификации и фазу конъюгации. 10.2.3. В фазе модификации вещества вступают в реакции микросомального окисления, в результате которого образуются полярные группы —ОН или —СООН. Если такие группы уже имеются, то обезвреживание может происходить непосредственно путём конъюгации. Реакции конъюгации заключаются в том, что к указанным группам присоединяется определённое соединение (глюкуроновая кислота, серная кислота, глицин и некоторые другие). Активной формой глюкуроновой кислоты является уридиндифосфоглюкуроновая кислота (УДФГК), активной формой серной кислоты - 3'-фосфоаденозин-5'-фосфосульфат (ФАФС). Формулы этих соединений приводятся на рисунке 10.2.   Рисунок 10.2. Активные формы глюкуроновой и серной кислот. 10.2.4. Запомните некоторые примеры реакций обезвреживания: 1) обезвреживание фенола (реакция глюкуронидной конъюгации): 2) обезвреживание индола: а) гидроксилирование индола (фаза модификации): б) сульфатирование индоксила (фаза конъюгации): в) образование калиевой соли индоксилсульфата в канальцах почек: По количеству индикана в моче можно сделать заключение о скорость процессов гниения белков в кишечнике (при усилении гниения количество индикана увеличивается) и о функциональном состоянии печени (при нарушении обезвреживающей функции количество индикана уменьшается). 3) обезвреживание бензойной кислоты: По скорости образования и выведения гиппуровой кислоты с мочой после введения бензойной кислоты можно судить о функциональном состоянии печени. Этот диагностический тест получил название пробы Квика и используется в клинической практике.

Раздел 10.3	Переваривание липидов в кишечнике.
10.3.1. Основным местом переваривания липидов является верхний отдел тонкого кишечника. Для переваривания липидов необходимы следующие условия: наличие липолитических ферментов; условия для эмульгирования липидов; оптимальные значения рН среды (в пределах 5,5 – 7,5). 10.3.2. В расщеплении липидов участвуют различные ферменты. Пищевые жиры у взрослого человека расщепляются в основном панкреатической липазой; обнаруживается также липаза в кишечном соке, в слюне, у грудных детей активна липаза в желудке. Липазы относятся к классу гидролаз, они гидролизуют сложноэфирные связи -О-СО- с образованием свободных жирных кислот, диацилглицеролов, моноацилглицеролов, глицерола (рисунок 10.3). Рисунок 10.3. Схема гидролиза жиров. Поступающие с пищей глицерофосфолипиды подвергаются воздействию специфических гидролаз – фосфолипаз, расщепляющих сложноэфирные связи между компонентами фосфолипидов. Специфичность действия фосфолипаз показана на рисунке 10.4. Рисунок 10.4. Специфичность действия ферментов, расщепляющих фосфолипиды. Продуктами гидролиза фосфолипидов являются жирные кислоты, глицерол, неорганический фосфат, азотистые основания (холин, этаноламин, серин). Пищевые эфиры холестерола гидролизуются панкреатической холестеролэстеразой с образованием холестерола и жирных кислот. 10.3.3. Уясните особенности структуры желчных кислот и их роль в переваривании жиров. Желчные кислоты – конечный продукт обмена холестерола, образуются в печени. К ним относятся: холевая (3,7,12-триоксихолановая), хенодезоксихолевая (3,7-диоксихолановая)и дезоксихолевая (3, 12-диоксихолановая) кислоты (рисунок 10.5, а). Две первые являются первичными желчными кислотами (образуются непосредственно в гепатоцитах), дезоксихолевая – вторичной (так как образуется из первичных желчных кислот под влиянием микрофлоры кишечника). В желчи эти кислоты присутствуют в конъюгированной форме, т.е. в виде соединений с глицином Н2N-СН2-СООН или таурином Н2N-СН2-СН2-SO3H (рисунок 10.5, б). Рисунок 10.5. Строение неконъюгированных (а) и конъюгированных (б) желчных кислот. 15.1.4. Желчные кислоты обладают амфифильными свойствами: гидроксильные группы и боковая цепь гидрофильны, циклическая структура гидрофобна. Эти свойства обусловливают участие желчных кислот в переваривании липидов: 1) желчные кислоты способны эмульгировать жиры, их молекулы своей неполярной частью адсорбируются на поверхности жировых капель, в то же время гидрофильные группы вступают во взаимодействие с окружающей водной средой. В результате снижается поверхностное натяжение на границе раздела липидной и водной фаз, вследствие чего крупные жировые капли разбиваются на более мелкие; 2) желчные кислоты наряду с колипазой желчи участвуют в активировании панкреатической липазы, сдвигая её оптимум рН в кислую сторону; 3) желчные кислоты образуют с гидрофобными продуктами переваривания жиров водорастворимые комплексы, что способствует их всасыванию в стенку тонкого кишечника. Желчные кислоты, проникающие в процессе всасывания вместе с продуктами гидролиза в энтероциты, через портальную систему поступают в печень. Эти кислоты могут повторно секретироваться с желчью в кишечник и участвовать в процессах переваривания и всасывания. Такая энтеро-гепатическая циркуляция желчных кислот может осуществляться до 10 и более раз в сутки. 15.1.5. Особенности всасывания продуктов гидролиза жиров в кишечнике представлены на рисунке 10.6. В процессе переваривания пищевых триацилглицеролов около 1/3 их расщепляется полностью до глицерола и свободных жирных кислот, приблизительно 2/3 гидролизуется частично с образованием моно- и диацилглицеролов, небольшая часть совсем не расщепляется. Глицерол и свободные жирные кислоты с длиной цепи до 12 углеродных атомов растворимы в воде и проникают в энтероциты, а оттуда через воротную вену в печень. Более длинные жирные кислоты и моноацилглицеролы всасываются при участии конъюгированных желчных кислот, формирующих мицеллы. Нерасщеплённые жиры, по-видимому, могут поглощаться клетками слизистой кишечника путём пиноцитоза. Нерастворимый в воде холестерол, подобно жирным кислотам, всасывается в кишечнике в присутствии желчных кислот. Рисунок 10.6. Переваривание и всасывание ацилглицеролов и жирных кислот.

Раздел 10.4	Ресинтез липидов в стенке кишечника и образование хиломикронов.
10.4.1. В клетках слизистой оболочки кишечника из продуктов переваривания пищевых липидов синтезируются липиды, специфичные для организма (жирнокислотный состав таких липидов соответствует жирнокислотному составу эндогенных жиров). В процессе ресинтеза образуются главным образом триацилглицеролы, а также фосфолипиды и эфиры холестерола. 10.4.2. Транспорт ресинтезированных липидов из стенки кишечника происходит в виде хиломикронов. Хиломикроны представляют собой комплексные частицы, состоящие из липидов и белков. Они имеют сферическую форму, диаметр их составляет около 1 мкм. Липидное ядро хиломикронов образуют триацилглицеролы (80% и более) и эфиры холестерола. Оболочку хиломикрона составляют амфифильные соединения – белки (аполипопротеины), фосфолипиды и свободный холестерол (см. рисунок 10.7). Рисунок 10.7. Схема строения хиломикрона. Хиломикроны являются транспортной формой липидов от кишечника к другим органам и тканям; они поступают из клеток слизистой сначала в лимфу, а затем в кровь. Клетки эндотелия кровеносных капилляров жировой ткани, клеток печени и других органов содержат фермент липопротеинлипазу. Липопротеинлипаза воздействует на хиломикроны, гидролизуя входящие в их состав жиры.

Раздел 10.5	Переваривание углеводов в желудочно-кишечном тракте.
10.5.1. Процесс переваривания углеводов представлен на схеме (рисунок 10.8). Рисунок 10.8. Переваривание углеводов в желудочно-кишечном тракте. Гидролиз крахмала начинается в ротовой полости. В слюне содержится фермент амилаза, частично расщепляющая крахмал. Основное место переваривания крахмала - тонкий кишечник. Туда поступает амилаза сока поджелудочной железы. Продуктом действия амилазы является мальтоза. Мальтоза далее расщепляется с помощью мальтазы до глюкозы, дисахарид лактоза (содержащаяся в молоке) расщепляется с помощью лактазы до глюкозы и галактозы. Дисахарид сахароза (содержащаяся в пищевом сахаре) расщепляется с помощью сахаразы до глюкозы и фруктозы. 10.5.2. Продукты полного переваривания углеводов - глюкоза, галактоза и фруктоза - через клетки кишечника поступают в кровь путем облегченной диффузии и активного транспорта. 10.5.3. Основные пути метаболизма углеводов в тканях. После всасывания из желудочно-кишечного тракта моносахариды поступают через систему портальной вены в печень. В гепатоцитах происходит превращение галактозы и фруктозы в глюкозу. Таким образом, глюкоза является основным моносахаридом, который поступает в общий кровоток после прохождения углеводов через печень. Содержание глюкозы в крови здорового человека составляет 3,33 – 5,55 ммоль/л. Глюкоза поглощается из крови клетками всех тканей и органов. 10.5.4. Известны врождённые дефекты ферментов обмена лактозы. Врождённый дефект фермента лактазы приводит к развитию непереносимости лактозы. Употребление в пищу молока сопровождается диспептическими явлениями (рвота, диаррея, метеоризм).

Раздел 10.6	Регуляция пищеварения.
10.6.1. Переваривание компонентов пищи регулируется системой гормоноподобных веществ, образующихся в разных отделах желудочно-кишечного тракта. 10.6.2. Гистамин - биогенный амин, продукт декарбоксилирования аминокислоты гистидина. Образование гистамина происходит в слизистой желудка. Рецепторы гистамина (H2-рецепторы) находятся в главных и обкладочных клетках желудка. под действием гистамина происходит стимуляция желудочной секреции соляной кислоты и в меньшей степени пепсиногена. Гастрин - пептидный гормон, секретируется G-клетками пилорического отдела желудка в ответ на растяжение стенки желудка или повышение рН желудочного содержимого. Воздействует на главные и обкладочные клетки слизистой желудка, стимулируя секрецию как пепсиногена, так и соляной кислоты. Секретин - пептидный гормон, выделяемый S-клетками слизистой двенадцатиперстной кишки в ответ на снижение pH среды после поступления туда желудочного содержимого. Всасываясь в кровь, воздействует на клетки поджелудочной железы, вызывая секрецию обогащённого бикарбонатами панкреатического сока. Кроме того, в печени секретин стимулирует образование желчи и выделение желчных кислот в просвет двенадцатиперстной кишки. Одновременно секретин тормозит желудочную секрецию соляной кислоты. Соматостатин - гормон дельта-клеток островков Лангерганса поджелудочной железы, а также один из гормонов гипоталамуса. По химическому строению является пептидным гормоном. Он подавляет секрецию различных гормонально активных пептидов, вырабатываемых в желудке, кишечнике, печени и поджелудочной железе. В частности, он понижает секрецию гастрина и холецистокинина. Холецистокинин (старое название - панкреозимин)- пептидный гормон, синтезируемый, главным образом, клетками слизистой оболочки двенадцатиперстной кишки в ответ на поступление из желудка белков и жирных кислот в составе химуса. Он стимулирует сокращение желчного пузыря, секрецию желчи и пищеварительных ферментов поджелудочной железы. Ацетилхолин - нейромедиатор, выделяемый парасимпатическими волокнами, стимулирует секрецию соляной кислоты через М-холинорецепторы париетальных клеток. Одновременно усиливает секрецию панкреатического сока.