Файл: МУ_об.doc

1. Гидролитическое расщепление углеводов

Источником углеводов и основным запасным полисахаридом у растений является крахмал, а у животных и микроорганизмов – гликоген. Эти полисахариды распадаются до более простых соединений посредством реакций двух типов: гидролиза и фосфоролиза. Классическим примером распада первого типа является гидролиз крахмала, второго – фосфоролиз гликогена.

Реакция гидролиза крахмала ускоряется амилазами (-амилаза,-амилаза, глюкоамилаза, олиго-1,6-глюкозидаза), относящимися к классу гидролаз. Конечными продуктами гидролиза оказываются либо глюкоза, либо мальтоза, либо олигосахариды. Естественно, что в процессе постепенного укорачивания молекулы крахмала в результате его гидролиза в качестве промежуточных продуктов возникают декстрины.

Ступенчатый гидролиз крахмала можно представить следующим образом:

Второй тип распада полисахаридов представлен реакциями фосфоролиза. Ведущую роль в расщеплении гликогена в клетках человека и животных принадлежит ферментам фосфорилазам, относящимся к классу трансфераз. Фосфорилазы переводят полисахариды (в частности, гликоген) из запасной формы в метаболически активную форму; в присутствии фосфорилазы гликоген распадается с образованием фосфорного эфира глюкозы (глюкозо-1-фосфат) и остатка молекулы полисахарида. Эту реакцию можно представить в следующем виде:

Гидролитическому распаду могут подвергаться и различные дисахариды:

Следовательно, в процессе распада поли- и олигосахаридов могут образовываться различные монозы: глюкоза, глюкоза-1фосфат, фруктоза, галактоза, манноза и др.

Все эти монозы вступают во IIэтап распада гликолиз.

1. Включение в путь гликолиза гексоз

В результате процесса распада поли- и олигосахаридов кроме глюкозы могут образовываться различные гексозы: фруктоза, манноза, галактоза.

Метаболизм сахара начинается с присоединения к нему фосфорильной группы, которая способствует связыванию сахарофосфата с ферментом.

Все эти сахарофосфаты должны включаться в дальнейший путь распада – гликолиз (см. Приложение А).

Включение фруктозы

---

Фруктоза подвергается фосфорилированию во фруктозо-6-фосфат при участии фермента гексокиназы и АТФ:

Образовавшийся фруктозо-6-фосфат либо превращается в глюкозу через стадии образования фруктозо-6-фосфат и последующего отщепления фосфорной кислоты, либо подвергается дальнейшим превращениям, включившись в путь гликолиза до ПВК (рис. 3, Приложение А).

Включение маннозы

Манноза подвергается фосфорилированию в маннозо-6-фосфат при участии фермента гексокиназы и АТФ:

Маннозо-6-фосфат превращается во фруктозо-6-фосфат в реакции изомеризации, катализируемой ферментом фосфоманноизомеразой:

Образующийся таким путем фруктозо-6-фосфат может непосредственно включаться в гликолиз как промежуточный продукт этого процесса (см. Приложение А)

Включение галактозы

Обмен галактозы начинается с превращения ее в галактозо-1-фосфат при участии АТФ и фермента галактокиназы.

В следующей реакции в присутствии УДФ-глюкозы фермент гексозо-1-фосфатуридилтрансфераза катализирует превращение галактозо-1-фосфата в глюкозо-1-фосфат, одновременно образуется уридиндифосфат-галактоза (УДФ-галактоза):

Образовавшийся глюкозо-1-фосфат под действием фосфоглюкомутазы превращается в глюкозо-6-фосфат и далее включается в гликолиз (см. Приложение А), а УДФ-галактоза подвергается эпимеризации:

Затем УДФ-глюкоза-пирофосфорилаза катализирует расщепление УДФ-глюкозы с образованием глюкозо-1-фосфата:

Глюкозо-1-фосфат изомеризуется в глюкозо-6-фосфат (см. ранее) и включается в путь гликолиза (этап II), (рис. 3).

---

2. Гликолиз

Гликолиз – это последовательность ферментативных реакций, приводящих к превращению гексозы в пируват (этап II) с одновременным образованием АТФ и НАДН + Н⁺ (рис. 3).

Важнейшими моносахаридами, катаболизм которых осуществляется по гликолитическому пути, являются D-глюкоза иD-фруктоза. Однако из приведенных выше реакций видно, что и другие моносахариды способны катаболизироваться по пути гликолиза, поскольку они легко превращаются в эти сахара. Из приведенной на рисунке 3 схемы видно, что, начиная со стадии 3-фосфоглицеринового альдегида, все образующиеся затем промежуточные продукты имеют коэффициент 2. Это объясняется тем, что из двух фосфотриоз – фосфодиоксиацетона и 3-фосфоглицеринового альдегида – дальнейшему превращению подвергается 3-фосфоглицериновый альдегид. Молекула фосфодиоксиацетона под действием триозофосфатизомеразы также превращается в новую молекулу 3-фосфо-глицеринового альдегида и далее уже две его молекулы участвуют во всех последующих превращениях до конечного продукта гликолиза – пировиноградной кислоты (2 ПВК).

Процесс гликолиза может протекать как в отсутствии, так и в присутствии кислорода.

Анаэробный путь катаболизма (окисление) осуществляется клеткой без доступа кислорода и называется брожением; аэробный – идет с участием кислорода воздуха и называется дыханием. Пировиноградная кислота является промежуточным продуктом брожения и дыхания. При брожении дальнейшие превращения ПВК приводят к образованию спирта или молочной кислоты, при дыхании к полному окислению до СО₂и Н₂О.

Рисунок 3 – Схема метаболизма глюкозы. Гликолиз

3. Анаэробная фаза превращения пвк – брожение

В анаэробных условиях при молочнокислом брожении пировиноградная кислота восстанавливается образовавшимся при гликолизе НАДН + Н⁺(см. рис. 3), под действием фермента лактатдегидрогеназы получается молочная кислота:

При спиртовом брожении пировиноградная кислота предварительно декарбоксилируется до уксусного альдегида:

Уксусный альдегид восстанавливается до этанола за счет НАДН + Н⁺, образовавшегося вследствие окисления 3-фосфоглицеринового альдегида (см. рис. 3):

---

Таким образом, при молочнокислом и спиртовом брожении и гликолизе последовательность реакций идентична на всех этапах вплоть до образования пирувата, однако при молочнокислом брожении пируват восстанавливается до лактата, а при спиртовом – сначала декарбоксилируется с образованием ацетальдегида, который затем восстанавливается за счет НАДН + Н⁺до этанола.

При спиртовом брожении, вызываемом дрожжами, используются гексозы, пентозы не сбраживаются. Легче всего дрожжи сбраживают глюкозу и фруктозу, значительно труднее – маннозу и особенно галактозу. Сахароза и мальтоза сбраживаются только после предварительного гидролиза до гексоз, осуществляемого -фруктофуранозидазой и-глюкозидазой соответственно. Лактозу сбраживают особые дрожжиSaccharomycesfragilis, содержащие-галактозидазу, которая гидролизует этот дисахарид, с образованием глюкозы и галактозы. Высокомолекулярные полисахариды (крахмал, инулин, гемицеллюлозы, целлюлоза) и продукты их неполного гидролиза не сбраживаются дрожжами, поскольку они не способны проникать через клеточные мембраны, а сами дрожжи не синтезируют ферменты, которые могли бы выделиться в окружающую среду и осуществлять гидролиз этих полисахаридов до сбраживаемых сахаров.

---

4. Аэробная фаза превращения пвк – дыхание

В аэробных условиях пируват подвергается дальнейшему превращению – окислительному декарбоксилированию с образованием ацетил-КоА (этап III). Этот активированный ацетильный комплекс далее полностью окисляется до СО₂и Н₂О, вовлекаясь в так называемый цикл трикарбоновых кислот (ЦТК, этапIV). Этот цикл известен также под названием цикла лимонной кислоты или цикла Кребса (рис. 4). Сущность цикла и заключается в окислительном разложении ацетильного остатка, в результате чего освобождаемая энергия запасается в виде АТФ и НАДН + Н⁺.

Хотя цикл трикарбоновых кислот мы рассматриваем во взаимосвязи с катаболизмом углеводов, однако его роль в метаболизме веществ гораздо шире.

Он выполняет следующие функции.

1. Интегративную – объединяет пути катаболизма углеводов, жиров и белков; во всех аэробных организмах он выступает в роли центрального метаболического пути углерода.

2. Амфиболическую – выполняет не только катаболическую функцию распада ацетильных остатков, но и анаболическую, поскольку метаболиты цикла используются для синтеза других веществ.

3. Энергетическую – совместно с цепью переноса электронов (этап V)являются основным поставщиком химической энергии.

Окислительное декарбоксилирование пирувата с образованием ацетил-КоА и реакции цикла Кребса осуществляются в клеточных органеллах – митохондриях.

Биохимические функции цикла указывают на то, что ацетат и любой компонент цикла являются хорошими источниками энергии и их можно употреблять с пищей как ценные энергетические вещества, лишь бы они, поступив в клетку, могли достигнуть ферментативной системы, находящейся в митохондриях.

Однако основным источником энергии аэробных организмов является углеводный материал, из которого она извлекается в ходе совместных процессов гликолиза и цикла трикарбоновых кислот.

2. Гидролитическое расщепление липидов

Наиболее интенсивно процессы метаболизма липидов протекают в семенах масличных растений и в жировой ткани человека и животных. Основную массу липидов в этих органах составляют нейтральные жиры, или ацилглицеролы. В организме человека и животных жиры являются запасными веществами и выполняют такую же функцию, как и гликоген, служат источником энергии. Сложные липиды (фосфолипиды, сфинголипиды, гликолипиды), входящие в состав биологических мембран, подвергаются процессам обмена менее интенсивно, чем три- ацилглицерол.

---