Механизмы развития раковой опухоли

Рак – генетическое заболевание, т.е. повреждение генов.

Виды повреждений генов:

1) потеря гена,

2) собственно повреждение гена,

3) активация гена,

4) инактивация гена,

5) привнесение генов извне (внедрение добавочных генов).

В каждой клетке находится около 100'000 генов. В настоящее время признано, что ряд генов может превращаться в гены, несущие информацию о белках опухолевой клетки – онкогены. Часто это нормальные гены, но в норме функционирующие только в эмбриональном периоде или малоактивные, которые стали активными.

Механизмы активации генов представлены: а) мутацией генов и б) активацией генов.

В настоящее время выделено более 100 онкогенов. Помимо онкогенов есть еще антионкогены – гены-супрессоры опухолей (ГСО). Белковые продукты этих генов препятствуют превращению нормальной клетки в опухолевую. Наиболее часто онкогены и ПСО встречаются среди генов белков-передатчиков сигналов регуляции роста и размножения клеток.

Онкогены образуются:

1) среди генов факторов роста,

2) среди R факторов роста,

3) среди белков-передатчиков сигнала внутрь клетки,

4) среди факторов транскрипции,

5) среди генов белков, связанных с ростом и размножением клетки.

Активация одного онкогена или потеря функций одного гена-супрессора недостаточна для превращения нормальной клетки в опухолевую; подсчитано, что клетке человека необходимо для этого 10 мутаций. Но выявлены гены, появление которых способствует опухолевому росту, так перерождение гена Р53 – в 50%. Ген Р53 кодирует информацию о белке клеточного роста. Это ген апоптоза – ген, приводящий к гибели поврежденную клетку. Если этот ген поврежден, то сохраняются клетки с мутационными изменениями, что приводит к накоплению мутаций. Это объясняет возникновение опухолевого роста у пожилых людей.

Считается, что вирусы вносят в клетку новые онкогены, которые повышают вероятность развития опухоли. Также число мутаций повышают физические и химические факторы.

5. Нарушение обмена белка на стадии образования конечных продуктов.

5.1. Чаще всего нарушения в орнитиновом цикле мочевинообразования. При этом нарушения на разных уровнях приводят к накоплению разных продуктов (предшествующих нарушенному процессу). Напр., нарушение образования карбомаилфосфата ведет к гипераминоацидемии (повышению АК в крови), накоплению аммиака. Либо нарушение аргининосукцинатсинтазной реакции [рисунок: цитруллин + АСП → аргининосукцинат, над стрелочкой "аргининосукцинатсинтаза" ] ведет к накоплению цитруллина.

Все нарушения орнитинового цикла приводят к слабоумию (напр., аргининосукцинатное слабоумие).

5.2. Нарушение выделения продуктов белкового обмена. Напр., цистиноз – нарушение реабсорбции АК (особенно цистина и цистеина) – цистинурия (в 20-30 раз ! ).

Генная инженерия

1970 г. – американский ученый Тёмин открыл фермент ревертазу (обратную транскриптазу), которая катализирует синтез РНК → кДНК (комплементарная ДНК, не содержащая интронов).

Генная инженерия – это искусственное создание активных генетических структур (рекомбинантных ДНК). Первая работа – 1972 г. – амер. Пол Берт.

Предпосылки генной инженерии

1) изучение (в деталях) матричных биосинтезов;

2) установление возможности обмена между двумя молекулами ДНК (т.е. рекомбинанции);

3) открытие ферментов рестриктаз (1970), разрезающих ДНК в определенных участках с образованием фрагментов с "липкими концами";

4) открытие ферментов ревертаз (1970);

5) обнаружение маленьких кольцевых ДНК в плазмидах.

Основные этапы генной инженерии:

1. получение необходимого гена:

а) с помощью рестриктаз "нарезается" ДНК, затем выделяется нужный фрагмент;

б) с помощью ревертаз по имеющейся мРНК синтезируется комплементарная ДНК (кДНК).

2. подготовка вектора – плазмиды или фага. [рисунок: кольцевая ДНК (плазмида) → (над стрелкой "рестриктаза") плазмида с вырезанным кусочком]

3. соединение к вектору необходимого гена [рисунок: большой отрезок плазмиды из предыдущего рисунка плюс кусок ДНК из первого рисунка → рекомбинантная ДНК кольцевого строения, над стрелкой "лигаза" ]

4. вектор внедряется в кишечную палочку (E.coli), клонирование гена (т.е. получение его копий).

Обмен углеводов

Углеводами называются альдегиды или кетоны многоатомных спиртов или их производных.

Углеводы классифицируются на:

1. моносахариды – не подвергаются гидролизу:

- триозы (глицеральдегид, диоксиацетон);

- тетрозы (эритроза);

- пентозы (рибоза, дезоксирибоза, рибулоза, ксилуоза);

- гексозы (глюкоза, фруктоза, галактоза).

2. олигосахариды – состоят из 2–12 моносахаридов, соединенных между собой гликозидными связями (мальтоза – 2 глюкозы, лактоза – галактоза и глюкоза, сахароза – глюкоза и фруктоза);

3. полисахариды:

- гомополисахариды (крахмал, гликоген, клетчатка);

- гетерополисахариды (сиаловая кислота, нейраминовая кислота, гиалуроновая кислота, хондроитинсерная кислота, гепарин).

Углеводы входят в состав клеток животных (до 2%) и растений (до 80%).

Биологическая роль:

1. энергитическая. На долю углеводов приходится около 70% всей калорийности. Суточная потребность для взрослого человека – 400-500 г. При окислении 1 г углеводов до воды и углекислого газа выделяется 4,1 ккал энергии;

2. структурная. Углеводы используются как пластический материал для образования структурно-функциональных компонентов клеток. К ним относятся пентозы нуклеиновых кислот, углеводы гликопротеинов, гетерополисахариды межклеточного вещества;

3. резервная. Могут откладываться про запас в печени, мышцах в виде гликогена;

4. защитная. Гликопротеины принимают участие в образовании антител. Гетерополисахариды участвуют в образовании вязких секретов (слизи), покрывающих слизистые оболочки ЖКТ, дыхательных и мочеполовых путей. Гиалуроновая кислота играет роль цементирующего вещества соединительной ткани, препятствующего проникновению чужеродных тел;

5. регуляторная. Некоторые гормоны – гликопротеины (гипофиза, щитовидной железы);

6. участвуют в процессах узнавания клеток (сиаловая и нейраминовая кислоты);

7. определяют группу крови, входя в состав оболочек эритроцитов;

8. участвуют в процессах свертываемости крови, входя в состав гликопротеинов крови, фибриногена и протромбина. Так же предупреждает свёртываемость крови, входя в состав гепарина.

Основным источником углеводов для организма служат углеводы пищи, главным образом крахмал, сахароза и лактоза.

Крахмал – это смесь двух гомополисахаридов: линейного (амилоза от 10% до 30%) и разветвленного (амилопектин от70% до 90%) строения. Крахмал содержится в основных продуктах питания: картофель до 10%, крупы – 70-80%.

Остатки глюкозы соединяются в амилозе и линейных цепях амилопектина с помощью a-1,4-гликозидных связей, а в точках ветвления амилопектина - с помощью a-1,6-гликозидных связей.

Крахмал, поступая с пищей в ротовую полость, после механической обработки будет подвергаться гидролизу с помощью a-амилазы слюны. Этот фермент является эндоамилазой, расщепляющей a-1,4-гликозидные связи. Оптимальный рН фермента находится в слабощелочной среде (рН=7-8). Поскольку пища в ротовой полости долго не находится, крахмал здесь подвергается лишь частичному гидролизу с образованием амилодекстринов.

Далее пища идёт в желудок. Слизистая оболочки желудка гликозидазы (ферменты, расщепляющие углеводы) не вырабатываются. В желудке среда резко кислая (рН=1,2-2,5) ,поэтому действие a-амилазы слюны прекращается, но в более глубоких слоях пищевого комка, куда не сразу проникает желудочный сок, действие фермента слюны продолжается и крахмал успевает пройти стадию гидролиза - эритродекстринов.

Основным местом переваривания крахмала служит тонкий кишечник. Здесь происходят наиболее важные стадии гидролиза крахмала. В двенадцатиперсной кишке, куда открывается проток поджелудочной железы, под действием ферментов ПЖЖ (a-амилазы, амило-1,6-гликозидазы и олиго-1,6-гликозидазы) будет идти гидролиз крахмала. Выделяющийся сок поджелудочной железы содержит бикарбонаты, которые участвуют в нейтрализации кислого желудочного содержимого. Образующийся при этом углекислый газ способствует перемешиванию пищевого комка, создаётся слабощелочная среда (рН=8-9). Образующиеся катионы натрия и калия способствуют активации панкреатических гидролаз (a-амилаза, амило-1,6-гликозидаза, олиго-1,6-гликозидаза). Эти ферменты завершают гидролитический разрыв внутри гликозидных связей, начатых a-амилазой слюны.

Эритродекстрины превращаются в ахродекстрины. Под влиянием a-амилазы панкреатического сока завершается разрыв внутренних a-1,4-гликозидных связей в крахмале с образованием мальтозы. a-1,6-гликозидные связи в точках ветвления гидролизуются под действием амило-1,6-гликозидазы и олиго-1,6-гликозидазы, которая является терминальной (последней) в этом процессе.

Т.о. три панкреатических фермента завершают гидролиз крахмала в кишечнике с образованием мальтоз. Из тех глюкозных остатков, которые в молекуле крахмала были соединены с помощью a-1,6-гликозидных связей, образовались дисахариды – изомальтозы.

Слизистая оболочка тонкой кишки (энтероциты) синтезирует мальтазы (изомальтазы), лактазы и сахаразы. Образующиеся в результате гидролиза мальтоза, изомальтоза являются временным продуктом гидролиза, и в клетках кишечника они быстро гидролизуются под влиянием кишечных мальтазы, изомальтазы на две молекулы глюкозы. Т.о. в результате гидролиза крахмала в органах пищеварения образуется конечный продукт – глюкоза.

В составе пищи кроме полисахаридов поступают и дисахариды (лактоза и сахароза), которые подвергаются гидролизу только в тонком кишечнике. В энтероцитах синтезируются специфические ферменты: лактаза и сахараза, которые осуществляют гидролиз этих дисахаридов с образованием глюкоз, галактоз и фруктоз. Продукты полностью перевариваются. Углеводы - моносахариды всасываются в кровь и на этом завершается начальный этап обмена углеводов в организме человека - пищеварение.

Было установлено, что для всасывания моносахаридов (глюкозы) в кровь необходимо наличие в энтероцитах:

- в цитоплазме - ионов калия, натрия, АТФ и воды.

- в биомембранах - специфических белков–переносчиков и фермента - АТФ-азы.

90% образовавшейся в результате гидролиза крахмала глюкозы всасывается в кровь и через систему воротной вены поступает в печень, где депонируется в виде резервного полисахарида - гликогена. Около 10% всасывающихся в кровь моносахаридов попадает в большой круг кровообращения, разносится к органам и тканям, которые используют их в метаболических реакциях.

С пищей в организм человека поступает клетчатка – полисахарид, состоящий из остатков b-D- глюкопиранозы. В ЖКТ человека она гидролизу не подвергается, поскольку не вырабатываются b-гликозидазы, которые расщепляют её до глюкозы.

Биологическая роль клетчатки:

1. формирует пищевой комок;

2. продвигаясь по ЖКТ она раздражает слизистую оболочку, усиливая секрецию пищеварительных желез;

3. усиливает перистальтику кишечника;

4. нормализует кишечную микрофлору.

Достигая толстого отдела кишки, она под действием ферментов микрофлоры подвергается частичному сбраживанию с образованием глюкозы, малата, газообразных веществ. Глюкозы образуется мало, но она всасывается в кровь.

Биологический синтез гликогена

Установлено, что гликоген образуется почти во всех клетках организма, однако наибольшее содержание гликогена обнаружено в печени (2-6%) и в мышцах (0,5-2%). Т.к. общая мышечная масса организма человека велика, то большая часть всего гликогена содержится в мышцах.

Глюкоза из крови легко поступает в клетки организма и в ткани, легко проникая через биологические мембраны. Инсулин обеспечивает проницаемость мембран, это единственный гормон, обеспечивающий транспорт глюкозы в клетки органов и тканей. Как только глюкоза поступает в клетку, она сразу же как бы запирается в ней. В результате первой метаболической реакции, катализируемой ферментом гексакиназой в присутствии АТФ, глюкоза превращается в фосфорный эфир – глюкозо-6-фосфат, для которого клеточная мембрана не проницаема. Глюкозо-6-фосфат теперь будет использоваться клеткой в метаболических реакциях (анаболизм, катаболизм). Из клетки глюкоза может обратно выйти в кровь только после гидролиза под действием фосфатазы (глюкозо-6-фосфатазы). Этот фермент есть в печени, почках, в эпителии кишечника, в других органах и тканях его нет, следовательно, проникновение глюкозы в клетки этих органов и тканей необратимо.

Процесс биосинтеза гликогена можно записать в виде 4-х стадий:

глюкоза® (гексакиназа, АТФ®АДФ) глюкозо-6-фосфат® (фосфоглюкомутаза) глюкозо-1-фосфат® (глюкозо-1-фосфат-уридин трансфераза) УДФ-глюкоза® (гликоген-синтетаза, +[C₆Н₁₀О₅]_n) [C₆Н₁₀О₅]_n+1 (это наращенный гликоген) +УДФ

Затем УДФ+АТФ®(нуклеозиддифосфаткиназа) УТФ+АДФ. Т.о. на присоединение 1 молекулы глюкозы тратмтся 2 молекулы АТФ.

Гликогенсинтаза является трансферазой, которая переносит остатки глюкозы, входящие в УДФ-глюкозу на гликозидную связь остаточного в клетке гликогена. При этом образуются a-1,4- гликозидные связи. Образование a-1,6-гликозидных связей в точках ветвления гликогена катализирует специальный фермент гликогенветвящий.

Гликоген в клетках печени накапливается во время пищеварения, и рассматривается как резервная форма глюкозы, которая используется в промежутках между приёмами пищи.

Распад гликогена

Он может идти двумя путями:

1. Основной – фосфоролитический - протекает в печени, почках, эпителии кишечника.

Схематически его можно записать в виде 3-х стадий:

а) [C₆Н₁₀О₅]_n (это гликоген)® (фосфорилаза А, +Н₃РО₄) глюкозо-1-фосфат +[C₆Н₁₀О₅]_n-1

б) глюкозо-1-фосфат® (фосфоглюкомутаза) глюкозо-6-фосфат

в) глюкозо-6-фосфат® (глюкозо-6-фосфатаза, +Н₂О) глюкоза + Н₃РО₄

2. Не основной – амилолитический. его доля мала и незначительна. Протекает в клетках печени при участии:

- a-амилазы слюны, расщепляющей a-1,4-гликозидные связи;

- амило-1,6-гликозидазы, расщепляющей a-1,6-гликозидные связи в точках ветвления гликогена;

- g-амилазы, которая последовательно отрывает концевые остатки глюкозы от боковых цепей гликогена.

Гликогеновые болезни

Гликогеновые болезни - наследственные нарушения обмена гликогена, которые связаны с недостаточностью какого–либо фермента, участвующего в синтезе или распаде гликогена. Как правило, эта недостаточность выражена в снижении активности или полном отсутствии фермента.

Различают гликогенозы – болезни, связанные с нарушением процесса распада гликогена. При этом клетки печени, мышц, почек накапливают большое количество гликогена, что ведет к разрушению клеток. У больных наблюдается увеличение печени, гипоглюкоземия натощак, мышечная слабость. Обычно такие больные умирают в раннем возрасте. Наиболее часто встречаются следующие гликогенозы:

- болезнь Герса, связанная с недостаточной активностью или отсутствием фосфорилазы печени;

- болезнь Мак-Ардля, -//- фосфорилазы мышц;

- болезнь Помпе, -//- a-1,4-гликозидазы;

- болезнь Гори, -//- амило-1,6-гликозидазы;

- болезнь Гирке, -//- глюкозо-6-фосфатазы.

Агликогенозы – заболевания, которые характеризуются нарушением синтеза гликогена. У больных: гипогликемия натощак, судороги, рвота, потеря сознания, постоянное углеводное голодание мозга приводит к отставанию умственного развития. Больные погибают в раннем возрасте. Наиболее часто встречаются следующие агликогенозы:

- болезнь Льюиса, связанная с нарушением выработки или полным отсутствием гликогенсинтазы;

- болезнь Андерсена, -//- гликогенветвящего фермента.

Пути катаболизма глюкозы

В зависимости от функционального состояния клеток органов и тканей, они могут находиться в условиях достаточного снабжения кислородом или испытывать его недостаток, находиться в условиях гипоксии.

Следовательно, катаболизм глюкозы в организме можно рассматривать с двух позиций: в аэробных и анаэробных условиях.

Анаэробный путь распада глюкозы в тканях называется гликолизом, если в анаэробных условиях распадается глюкозный остаток гликогена, то этот процесс называется гликогенолизом. Оба эти процесса протекают в цитоплазме клеток. Конечным продуктом окисления будет являться молочная кислота. В процессе окисления будет выделяться энергия за счет реакций субстратного фосфорилирования. Основная биологическая роль – энергетическая. Окисление глюкозы и глюкозного остатка гликогена в тканях отличается только в начальных стадиях превращения, до образования глюкозо-6-фосфата. Схематически это можно представить как:

глюкоза® (гексакиназа, АТФ®АДФ) глюкозо-6-фосфат;

[C₆Н₁₀О₅]_n (это гликоген)® (фосфорилаза А, +Н₃РО₄) глюкозо-1-фосфат +[C₆Н₁₀О₅]_n-1

глюкозо-1-фосфат ® (фосфоглюкомутаза) глюкозо-6-фосфат

Основные стадии гликолиза и гликогенолиза:

Процесс гликолиза сложный и многоступенчатый. Условно его можно разделить на 2 стадии.

1 стадия – завершается образованием глицеральдегид-3-фосфата. 2 стадия – называется стадией гликолитической оксидоредукцией. Она сопряжена с образованием АТФ за счет реакций субстратного фосфорилирования, окислением глицеральдегид-3-фосфата и восстановлением пирувата в лактат.

1 стадия:

гексакиназа ↓ АТФ®АДФ

глюкозо-6-фосфатизомераза ↓

фосфофруктокиназа ↓ АТФ®АДФ

альдолаза ↓

Фосфодиоксиацетон под действием изомеразы может превращаться в глицеральдегид-3-фосфат.

2 стадия. На ней перед всеми формулами ставим 2, т.к. фосфодиоксиацетон изомеризовался и получилось 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата:

дегидрогеназа, +Н₃РО₄ ↓ НАД®НАДН₂

дифосфоглицераткиназа ↓ АДФ®АТФ

фосфоглицеромутаза ↓

енолаза ↓

фосфоенолпируваткиназа ↓ АДФ®АТФ

ЛДГ ↓ НАДН₂®НАД

Т.о. анаэробные превращения глюкозы в тканях завершается образование молочной кислоты. В процессе превращения глюкозы было израсходовано 2 молекулы АТФ для фосфорилирования глюкозы и фруктоза-6–фосфата (гексакиназная реакция и фосфофруктокиназная реакция).

С этапа образования триоз (альдолазная реакция) идет одновременная их окисление, в результате этих реакций образуется энергия в виде АТФ за счет реакций субстратного фосфорилирования (фосфоглицераткиназная и пируваткиназная реакции).

На этапе гликолитической оксидоредукции идет окисление гицеральдегид-3-фосфата в присутствии Н₃РО₄ и НАД-зависимой дегидрогеназы, которая при этом восстанавливается до НАДН₂.

Митохондрии в анаэробных условиях блокированы, поэтому выделяемый в процессе окисления НАДН₂ находиться в среде до тех пор, пока не образуется субстрат, способный принять его. ПВК принимает НАДН₂ и восстанавливается с образованием лактата, завершая тем самым внутренний окислительно-восстановительный цикл гликолиза. НАД-окисленный выделяется и вновь может принимать участие в окислительном процессе, выполняя роль переносчика водорода.

Три реакции гликолиза являются необратимыми:

- гексакиназная реакция;

- фосфофруктокиназная реакция;

- пируваткиназная реакция.

Энергетический эффект гликолиза (гликогенолиза):

АТФ(глюкоза)=(2*2)–2=2

АТФ(гликоген)=(2*2)–1=3

Биологическая роль гликолиза – энергетическая. Гликолиз является единственным процессом в клетке, способным поставлять энергию в форме АТФ в бескислородных условиях. В кризисных ситуациях, когда клетки органов и тканей по каким то причинам находятся в анаэробных условиях, гликолиз является единственным источником скорой энергетической помощи для сохранения жизнедеятельности клеток, а в эритроцитах, где митохондрии отсутствуют, гликолиз вообще является единственным процессом, продуцирующим АТФ и поддерживающим их функции и целостность.

Гексозодифосфатный путь превращения углеводов в тканях

В аэробных условиях, когда в ткани в достаточном количестве поступает кислород, происходит подавление гликолиза. При этом уменьшается потребление глюкозы, блокируется образование лактата. Эффект подавления гликолиза дыханием получил название эффекта Пастера.

Глюкоза в аэробных условиях сгорает в клетках с образованием конечных продуктов - воды и углекислого газа. При окислении 1 моль глюкозы будет выделено 38 молекул АТФ, а при окислении 1 глюкозного остатка гликогена – 39 молекул.

Химизм реакций превращения глюкозы такой же, как и в аэробных условиях, но только до стадии образования пирувата.

Превращение глюкозы до пирувата протекает в цитоплазме, затем пируват поступает в митохондрии, где подвергается окислительному декарбоксилированию. Образовавшийся при этом АцКоА в дальнейшем окисляется в митохондриях с участием ферментов ЦТК и сопряженных с ними ферментов дыхательной цепи (ЦПЭ).

Реакция окислительного декарбоксилирования ПВК осуществляется при участии ряда ферментов и кофакторов:

1. дегидрогеназ (НАД, ФАД);

2. декарбоксилаз (ТПФ);

3. ацилтрансфераз (HS-KoA);

4. липоевой кислоты (ЛК), участвующей в переносе углекислого газа.

СН₃-СО-СООН (это ПВК)® (пируватдегидрогеназа, НАД, ФАД, HS-KoA, ТПФ, ЛК) СО₂ +НАДН₂ +Н₂О +3АТФ +СН₃-С(О)-SKoA (это АцКоА, он поступает в ЦТК).

При окислении глюкозы в аэробных условиях энергия выделяется за счет реакций:

1. субстратного фосфорилирования на этапах превращения 1,3-дифосфоглицериновой кислоты, фосфоенол-ПВК, сукцинил-КоА;

2. за счет реакций окислительного фосфорилирования на этапах превращения глицеральдегид-3-фосфата, ПВК, изоцитрата, a-кетоглутаровой кислоты, сукцината, малата.

Энергетический эффект окисления:

АТФ (глюкозы)=2*(3+1+1+3+12)-2=38

АТФ (гликогена)=2*(3+1+1+3+12)-1=39

Конечные продукты образуются:

- углекислый газ на этапах превращения пирувата, оксалосукцината, a-кетоглутаровой;

- вода образуется на этапах превращения: глицеральдегид-3-фосфата, 2-фосфоглицериновой кислоты, пирувата, изоцитрата, a-кетоглутаровой кислоты, сукцината, малата.

Т.о. в отличие от анаэробного пути, аэробный путь окисления глюкозы является энергитически более эффективным и является основным путем обеспечения клеток энергией. При этом окисление идет с образованием конечных продуктов – углекислого газа и воды.

Гексозомонофосфатный путь превращения углеводов в тканях

Гексозомонофосфатный путь превращения углеводов в тканях (пентозофосфатный путь, апотолический путь) протекает в цитоплазме клеток органов и тканей и представлен двумя последовательными ветвями: окислительной и неокислительной.

Активность этого пути превращения глюкозы зависит от типа ткани и ее функционального состояния. Особенно активно глюкоза окисляется по этому пути в тканях и органах, где синтезируется много липидов: печень, кора надпочечников, жировая ткань, молочные железы. Биологическая роль этого пути связана, прежде всего, с производством 2-х веществ:

1. рибозо-5-фосфата и его производных, которые используется в клетках для биосинтеза важнейших биологических молекул: АТФ, ГТФ, HSKoA, НАД, ФАД и нуклеиновых кислот (ДНК, РНК);

2. НАДФ·Н₂, которые в отличие от НАД·Н₂ не окисляется в дыхательной цепи митохондрии, а используется как источник протонов и электронов для синтеза веществ, включающего реакции восстановления (ВЖК, холестерина, желчных кислот, стероидных гормонов, витамина D₃). НАДФН₂ используется для обезвреживания ядов и токсических веществ (в реакции связывания аммиака при восстановительном аминировании a-кетокислот).

Этот путь является единственным поставщиком пентоз для работающих клеток тканей и органов, и на 50% покрывает потребность в НАДФН₂, следовательно основная биологическая роль этого пути – анаболическая.

Окислительная стадия пентозного пути превращения глюкоза отличается от классического гексозодифосфатного пути с этапа превращения глюкозы-6-фосфата и включает 5 реакций:

глюкозо-6-фосфат ®(глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, НАДФ®НАДФН₂) 6-фосфоглюкозолактон ® (лактоназа, +Н₂О) 6-фосфоглюконовая кислота® (дегидрогеназа 6-фосфоглюконовой кислоты, НАДФ®НАДФН₂) 3-кето-6-фосфоглюконовая кислота ®(декарбоксилаза, -СО₂) рибулозо-5-фосфат® (изомераза) рибозо-5-фосфат® (эпимераза) ксилуозо-5-фосфат

При определённых условиях на этом заканчивается окислительная стадия пентозного цикла. Между пентозами устанавливается подвижное равновесие: рибулозо-5-фосфат« (изомераза) рибозо-5-фосфат« (эпимераза) ксилуозо-5-фосфат

Однако в ряде случаев, когда в клетках отмечается дефицит кислорода, может протекать неокислительная стадия пентозного цикла. Основными реакциями этого этапа являются 2 транскетолазные реакции и одна трансальдолазная. Все они обратимы. В результате этих реакций образуются субстраты для гликолиза (фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат), а также вещества, характерные для пентозного пути превращения глюкозы. Схематически неокислительную стадию пентозного цикла можно записать так:

1. транскетолазные реакции:

а) ксилуозо-5-фосфат+рибозо-5-фосфа«(ТПФ) седогептулозо-7-фосфат+ глицеральдегид-3-фосфат;

б) ксилуозо-5-фосфат+эритрозо-4-фосфат«(ТПФ) фруктозо-6-фосфат+ глицеральдегид-3-фосфат;

2. трансальдолазная реакция:

судогептулозо-7-фосфат+ глицеральдегид-3-фосфат« фруктозо-6-фосфат+ эритрозо-4-фосфат

Баланс окислительной и неокислительной стадий гексозомонофосфатного пути превращения глюкозы в тканях можно записать в виде суммарного уравнения реакции:

6 глюкозо-6-фосфат+ 7Н₂О+ 12НАДФ® 5 глюкозо-6-фосфат+ 6СО₂ +12НАДФН₂ +Фн

Глюконеогенез и другие источники глюкозы для организма человека

Глюкоза является основным углеводом крови. Её концентрация в течение суток колеблется в зависимости от энергозатрат и частоты приемов пищи, содержания углеводов в пище. Для взрослого человека содержание глюкозы в крови составляет от 3,3 до 5,5 ммоль/л. Поддерживается концентрация глюкозы в крови за счет процесса биосинтеза и распада гликогена, глюконеогенеза и за счет углеводов пищи.

Глюконеогенез - это процесс образования глюкозы из неуглеводных предшественников, которыми являются продукты распада белков, липидов и углеводов. Основными являются пируват, лактат. Промежуточными могут быть метаболиты ЦТК, а так же глицерин и АК. Ряд АК (АСП, ТИР, ФЕН, ТРЕ, ВАЛ, МЕТ, ИЛЕ, ГИС, ПРО, АРГ) тем или иным путем превращаются в метаболиты ЦТК – фумаровую кислоту, которая в дальнейшем превращается в ЩУК. Другие АК (ГЛИ, АЛА, ЦИС, СЕР) превращаются в пируват.

Глюконеогенез возможен не во всех тканях. Главным местом синтеза глюкозы является печень, в меньшей степени почки и слизистая оболочка кишечника.

Биологическая роль глюконеогенеза заключается не только в синтезе глюкозы, но и в возвращении лактата в клеточный фонд углеводов. За счет этого процесса поддерживается уровень глюкозы в крови при углеводном голодании и сахарном диабете. Этот путь является единственным, который поддерживает биоэнергетику жизненно важных тканей в кризисных ситуациях.

Большинство реакций глюконеогенеза представляют собой обратимые реакции гликолиза, за исключением 3-х, которые являются термодинамически необратимыми.:

1. гексакиназной;

2. фосфофруктокиназной;

3. пируваткиназной.

Эти реакции гликолиза имеют при глюконеогенезе обходные пути, которые связаны с образованием фосфоенолпирувата, фруктозо-6-фосфата и глюкозы.

Обходные реакции гликолиза:

Первая обходная реакция глюконеогенеза связана с образованием фосфоенолпирувата. Она протекает в 2 стадии. Сначала в результате реакции карбоксилирования пируват превращается в ЩУК. Эта реакция протекает в митохондриях, куда ПВК поступает из цитозоля. ЩУК в митохондриях восстанавливается в малат под действием МДГ (НАДН₂). Мембраны митохондрий не проницаемы для ЩУК, малат же легко выходит в цитозоль, где окисляясь снова превращается в ЩУК. ЩУК в дальнейшем принимает участие в глюконеогенезе, вступая в реакции декарбоксилирования и фосфорилирования. Донором фосфатного остатка служит ГТФ, но может быть и АТФ.

а) CH₃-CO-COOH (это ПВК)® (пируваткарбоксилаза (биотин), +СО₂, +АТФ, +Н₂О) СООН-СО-СН₂-СООН (это ЩУК) +АДФ +Фн;

б) СООН-СО-СН₂-СООН (это ЩУК)®(фосфоеноилпируваткарбоксикиназа, +ГТФ, +Н₂О) СООН-С(О~РО₃Н₂)=СН₂+ СО2 +ГДФ.

Вторая реакция связана с образованием фруктозо-6-фосфата:

фруктоза-1,6-дифосфат® (фосфатаза, +Н₂О) фруктоза-6-фосфат+ Фн

Третья реакция связана с образованием глюкозы:

глюкозо-6-фосфат® (фосфатаза, +Н₂О) глюкоза+ Фн

Образовавшаяся в процессе глюконеогенеза глюкоза может вновь поступать в клетки органов и тканей и принимать участие в метаболизме (использоваться в тканях как энергетический субстрат, откладываться про запас в виде гликогена, участвовать в анаболических реакциях).

В организме взрослого человека массой 70 кг, главным образом в печени, за сутки образуется около 80 гр. глюкозы.

Патология углеводного обмена

Нарушения углеводного обмена могут быть на различных этапах обмена веществ. Основными показателями нарушения является изменение концентрации глюкозы в крови (гипер-, гипоглюкоземия) и появление глюкозы в моче (глюкозурия). Концентрация глюкозы в крови взрослого здорового человека в норме составляет 3,3-5,5 ммоль/л. Появление глюкозы в моче возможно в случае превышения величины почечного порога, который для глюкозы составляет 10 ммоль/л.

Основными причинами развития нарушения углеводного обмена являются:

1. алиментарные. Употребление пищи, богатой углеводами, ведет к быстрому переполнению гликогенного резерва печени, мышц, развитию гиперглюкоземии, глюкозурии. При снижении двигательной активности происходит снижение окислительных процессов и усиление биосинтеза жиров в тканях, что ведет к развитию алиментарного ожирения;

2. при поражении слизистых оболочек ЖКТ. При этом в желудке нарушается образование HCl (гипохлоргидрия или ахлоргидрия), поступающие углеводы сбраживаются под влиянием ферментов микрофлоры с образованием лактата, а белки подвергаются гниению. Это создает благоприятные условия для развития микрофлоры и приводит к расстройству пищеварения в целом. При поражении слизистой тонкого кишечника нарушается гидролиз дисахаридов или всасывание продуктов гидролиза;

3. при поражении печени нарушается биосинтез и распад гликогена, глюконеогенез;

4. при поражении поджелудочной железы нарушается секреция ферментов (a-амилаз, олиго-1,6-гликозидаз), участвующих в гидролизе крахмала и гликогена.

Наиболее грозным заболеванием ПЖЖ является сахарный диабет. При этом поражаются В-клетки, они перестают вырабатывать гормон инсулин. Инсулин – единственный гормон, обеспечивающий транспорт глюкозы в клетки органов и тканей. В случае недостаточной его выработки или отсутствия вообще происходит нарушение биоэнергетики клеток, органов и тканей. В этом случае интенсивному окислению подвергаются белки и липиды, что сопровождается избыточной продукцией аммиака и Ац-КоА.

Для связывания токсичного аммиака отвлекаются кетокислоты (ЩУК и a-кетоглутаровая) из ЦТК, их концентрация резко падает, что приводит к снижению интенсивности окислительных процессов. ЦТК не в состоянии окислить все молекулы ацетил-КоА, образование которых увеличивается с усилением окисления белков и липидов. Создаются условия для их конденсации с образованием кетоновых тел. При сахарном диабете в крови наблюдается гиперкетонемия (норма - до 0,1 г/л) и кетонурия.

2СН₃-СОSKoA (это ацетил-КоА) ®(Ац-КоА-трансфераза) ацетоацетил-КоА ® (деацилаза, +Н₂О, -HS-KoA) ацетоуксусная кислота.

Ацетоуксусная кислота может превращаться в b-гидроксимасляную кислоту, при этом НАДН₂®НАД. Также она может превращаться в ацетон с отщеплением СО₂.

В норме содержание кетоновых тел в крови здорового человека до 0,1 г/л. При поражении печени нарушается процесс биосинтеза и распада гликогена, процессы глюконеогенеза.

Наследственные заболевания, как правило, связаны с нарушением синтеза ферментов, участвующих в метаболизме углеводов. Например, алактазия - неусвояемость углеводов молока (лактозы). Это связано с отсутствием фермента – лактазы, поэтому поступающие с молоком дисахариды не усваиваются. У детей проявляется в виде рвоты, тошноты, поноса, вздутия живота, происходит обезвоживание организма. Лечение: исключение лактозы из пищи и замещение на мальтозу, сахарозу, глюкозу.

Другая группа заболеваний может быть связана с наследственными нарушениями обмена гликогена:

1. гликогенозы, связанные с недостаточным количеством ферментов, участвующих в распаде гликогена (болезнь Гирке, Кори);

2. агликогенозы – заболевания, связанные с нарушением синтеза гликогена (болезнь Льюиса. Андерсона и т.д.).

Липиды

Липиды – это сложные органические вещества биологической природы, не растворимые в воде, но растворимые в органических растворителях.

Все липиды делятся на простые и сложные. Простые: триглицериды, стерины, стериды и воски. Сложные: фосфолипиды, гликолипиды. Фосфолипиды делятся на сфинголипиды и глицерофосфолипиды. К глицерофосфолипидам относятся: фосфатидилхолин, фосфатидилсерин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилинозит и плазмогены (ацетальфосфатиды). К гликолипидам: цереброзиды, ганглиозиды, сульфатиды.

Наряду с белками и углеводами, липиды являются основными продуктами питания. В организме человека они поступают с продуктами растительного и животного происхождения. Суточная потребность взрослого человека составляет 80-100 г. Липиды составляют 10-20% от массы тела. В среднем в теле взрослого человека содержится 10-12 кг. липидов. Из них 25% приходится на структурные липиды, остальные относятся к резервным. Установлено, что 98% резервных липидов находится в жировой ткани.

Резервные липиды (жиры) представлены триглицеридами (ТГ). Они используются для энергетических нужд организма. Важнейшими ТГ являются эфиры глицерина и ВЖК. ВЖК могут быть как предельными (пальмитиновая С₁₅Н₃₁СООН, стеариновая С₁₇Н₃₅СООН), так и непредельными (олеиновая С₁₇Н₃₃СООН, линолевая С₁₇Н₃₁СООН, линоленовая С₁₇Н₂₉СООН, арахидоновая С₁₉Н₃₁СООН).

Фосфолипиды (ФЛ), гликолипиды являются структурными компонентами биологических мембран клеток, они не имеют такой энергетической ценности, как ТГ. Они, как и стерины (холестерин - ХС) относятся к структурным липидам.

ХС является предшественником ряда биологически активных веществ (БАВ), например стероидных гормонов (эстрогенов, андрогенов, минерало- и глюкокортикоидов), витаминов группы D и желчных кислот. Арахидоновая кислота (С₁₉Н₃₁СООН), входя в состав ФЛ, может принимать участие в образовании гормоноподобных веществ (простагландинов, лейкотриенов).

Биологическая роль липидов:

1. структурная – входят в состав биомембран клеток (ФЛ, ГЛ, холестерин);

2. резервная – нейтральные жиры могут откладываться про запас в жировое депо;

3. энергетическая – при окислении 1 г липидов до воды и углекислого газа выделяется 9,3 ккал энергии. На долю липидов приходится примерно 50% всей калорийности;

4. механическая – входя в состав соединительной ткани, подкожной жировой клетчатки, липиды предохраняют внутренние органы от повреждения при механических травмах;

5. теплоизолирующая роль – входя в состав подкожной жировой клетчатки, липиды предохраняют органы от перегревания и переохлаждения;

6. транспортная – входя в состав биомембран клеток, липиды участвуют в транспорте веществ (катионов);

7. регуляторная – все стероидные гармоны являются липидами. Гармоноподобные вещества (простагландины и лейкотриены) образуются из липидов;

8. выполняет роль смазочного материала для кожи, предохраняют её от сухости и растрескивания;

9. участвуют в передаче нервных импульсов;

10. липиды являются основным источником эндогенной воды - при окислении 100 г липидов образуется 107 мл эндогенной воды (из 100 г углеводов 57 мл воды, а из 100 г белков – 41 мл воды);

11. растворяющая – желчные кислоты, являясь стеринами, участвуют в растворении жирорастворимых витаминов А, Д, Е и К;

12. питательная роль – с пищей в организм поступают незаменимые ВЖК, которые имеют 2 и более двойных связей.

Незаменимые ВЖК в организме не синтезируются, но их роль велика:

1. они являются обязательным структурным компонентом биомембран;

2. препятствуют всасыванию холестерина в кишечнике;

3. стимулируют синтез желчных кислот в печени;

4. тормозят образование ЛПОНП, предупреждая развитие атеросклероза;

5. понижают свёртывание крови и понижают возможность тромбообразования;

6. повышают защитные силы организма;

7. предупреждают развитие кожных заболеваний;

8. являются источником гормоноподобных веществ.

Богаты ненасыщенными ВЖК растительные масла, в которых их содержание составляет 50-55%. Для полного удовлетворения суточной потребности взрослому человеку достаточно получать 15-20 г этих масел.