Співвідношення між аеробним і анаеробним процесами перетворення вуглеводів в організмі

Основним шляхом перетворення вуглеводів у тканинах організму є поєднання анаеробного перетворення (гліколіз і глікогеиоліз) і аеробного окислення за ииклом трикарбонових кислот. Ці фази перетворення вуглеводів мають багато спільного. Обидва процеси розпочинаються з утворення фосфорних ефірів глюкози. Крім того, в обох випадках утворюються однакові проміжні продукти (3-фосфогліцериновий альдегід, фосфогліцерипова і фосфоенолпіровипоградна кислота тощо). Центральною спільною лапкою, яка об'єднує ці процеси, є піровиноградна кислота, наступне перетворення якої залежно від умов може проходити як аеробним, так і анаеробним шляхом. Спряження процесів гліколізу і тканинного дихання зумовлено також тим, що багато реакцій гліколізу та аеробного перетворення вуглеводів каталізуються одними і тими самими ферментами і коферментами — зокрема НАД+, НАДФ+, ФМН, ФАД та деякими іншими.

Важливим шляхом регуляції співвідношення і зв'язку між анаеробною й аеробною фазами перетворення вуглеводів є ефект, виявле-

ний Л. Пастером і названий на честь дослідника ефектом Пастера. Суть ного полягає в тому, що під впливом кисню (за аеробних умов) анаеробне перетворення вуглеводів пригнічується. Отже, при наявності кисню анаеробний процес (гліколіз або спиртове бродіння) замінюється енергетично більш економним для клітини процесом перетворення вуглеводів — аеробним. За цих умов при менших витратах субстрату (глюкози) організм дістає значно більшу кількість енергії. Тому при наявності кисню значно зменшується використання субстрату — глюкози.

Дослідженнями О. В. Палладіна, В. О. Енгельгардта та інших учених встановлено, що основною причиною, яка зумовлює пастерівський ефект, є, очевидно, своєрідна конкуренція між ферментними системами, які забезпечують аеробне й анаеробне перетворення вуглеводів, та захоплення неорганічного фосфату, необхідного для утворення АТФ.

У процесі обміну АДФ легко переходить із гіалоплазми вмітохонд-рії, де за аеробних умов інтенсивно використовується для синтезу АТФ, тобто ферментні системи аеробного перетворення вуглеводів ефективніше використовують неорганічний фосфат і АДФ. Зменшення вмісту АДФ у гіалоплазмі зумовлює гальмування гліколізу. Однак взаємозв'язок анаеробного й аеробного перетворення вуглеводів, очевидно, вивчено ще не повністю. Відомо, що в деяких органах і тканинах (сітківка ока, лейкоцити, ембріональна тканина, злоякісні пухлини) гліколіз досить ефективно проходить і за аеробних умов.

За певних умов гліколіз здатний пригнічувати аеробне перетворення вуглеводів. Пригнічення процесу дихання гліколізом дістало назву ефекту Кребтрі. Цей ефект найчастіше спостерігається при високих концентраціях глюкози, коли резерви АТФ досить швидко використовуються для синтезу гексозофосфорпих ефірів — глюкозо-6-фосфату і фруктозо-1,6-дифосфату. При цьому вміст АТФ у гіалоплазмі значно зменшується, що призводить до переходу частини її з мітохопдрій, де виникає дефіцит макроергів і пригнічується аеробний процес. Послабити ефект Кребтрі можна шляхом додаткового введення АТФ, що сприятиме активуванню процесів фосфорилювання глюкози. Глю-козо-6-фосфат стимулює і гліколіз, і дихання, тому залежно від умов у більшій або меншій мірі виявляються ефект Пастера або ефект Кребтрі.

БІОСИНТЕЗ ВУГЛЕВОДІВ

Біосинтез вуглеводів з простіших сполук є досить важливим процесом, що протікає в біосфері. Він проходить в основному двома шляхами. Перший з них характерний лише для автотрофних фотссинте-зуючих організмів, які синтезують гексози з С0₃ і Н₂0 за участю енергії сонячного випромінювання. З гексоз, що утворились, далі синтезуються ди- і полісахариди.

Гетеротрофні організми такої здатності не мають. Утворення вуглеводів у таких організмах відбувається шляхом перетворення органічних сполук, які потрапляють з їжею, а також шляхом синтезу з проміжних сполук, що утворюються в процесі обміну речовин.

Глюконеогенез — це процес синтезу глюкози з невуглеводних попередників. Такими попередниками глюкози в глюконеогенез і є молочна і піровиноградна кислоти та інші сполуки, які можуть перетворюватись у ці кислоти.

Більшість стадій глюконеогенезу є зворотними реакціями гліколізу за винятком трьох реакцій — гексокіназиої, фосфофруктокіпаз-ної і піруваткіназної. Дані реакції необоротні, тому в процесі глюконеогенезу на цих трьох стадіях використовуються інші ферменти, і реакції пролодять непрямим шляхом. Нижче описано синтез глюкози з піровиноградної кислоти.

Перетворення піровиноградної кислоти в фосфоенолпіровиноградну. Піровиноградна кислота за участю ферменту мітохондріальної піру-ваткарбоксилази і при наявності активних С0₂ і АТФ карбоксилюєть-ся з утворенням щавлевооцтової кислоти:

ІЦавлевооцтова кислота відновлюється в мітохондріях до яблучної кислоти. Реакцію каталізує малатдегідрогеназа, коферментом якої є відновлена форма НАД:

Щавлево-оцтова кислота

Далі яблучна кислота з мітохондрій переходить у цитоплазму, де окислюється цитоплазматичною малатдегідрогеназою до щавлевооцтової кислоти:

451

Щавлевооцтова кислота, що утворилась, під впливом ферменту фосфоенолпіруваткарбоксикінази перетворюється на фосфоенолпіровиноградну кислоту. При цьому донором фосфату є гуанозинтрифос-фат або інозинтрифосфат:

Далі фосфоенолпіровиноградна кислота внаслідок оборотності реакцій гліколізу перетворюється на фруктозо-1,б-дифосфат.

Перетворення фруктозо-1,6-дифосфату в фруктозо-6-фосфат. Фос-фофруктокіназна реакція необоротна, тому вона здійснюється непрямим шляхом. За цих умов фруктозо- 1,6-дифосфат перетворюється на фруктозо-6-фосфат при каталітичній дії специфічної фосфатази (фрук-тозо-67с-фосфатази):

Ун

Фру к тозо-бі с-фосфа таза

ОН + Н іО ►

І 'СН,-0-Р = 0

ОН Н _он

Фр\ кто:ю-1.в-дифосфат

Слід зазначити, що фермент фруктозо-67с-фосфатаза активується АТФ і пригнічується АМФ. Ці нуклеотиди виявляють свою дію на активність фруктозо-67б--фосфатази, яка протилежна їх дії на фосфофрук-токіназу.

Далі фруктозо-6-фосфат завдяки протіканню зворотних реакцій гліколізу перетворюється на глюкозо-6-фосфат. У більшості тканин організму глюкозо-6-фосфат використовується для синтезу ди-, оліго-і полісахаридів. Однак у клітинах печінки, нирок, кишкового епітелію проходить і дефосфорилювання глюкозо-6-фосфату з утворенням вільної глюкози.

Перетворення глюкозо-6-фосфату в глюкозу. Ця реакція також проходить непрямим шляхом, оскільки вона необоротна. Дефосфорилювання глюкозо-6-фосфату відбувається не за участю гексокінази, а при каталітичній дії глюкозо-6-фосфатази (див. с 453).

Цей фермент відсутній у м'язах і мозку організму, тому ці тканини не можуть бути джерелом глюкози.

Жирними стрілками позначено реакції синтезу глюкози, світлими — реакції, які каталізують її розщеплення.

На основі наведених вище даних можна записати сумарне рівняння синтезу глюкози з піровиноградної кислоти:

Отже, для утворення кожної молекули глюкози необхідно шість молекул макроергічмих сполук і дві молекули відновленого НАД.

У клітинах організму досить інтенсивно проходить глюконеогепез також із проміжних сполук циклу трикарбонових кислот —попередників пірувату і фосфоенолпірувату, які здатні перетворюватись у молочну кислоту. Молочна кислота далі переходить з мітохондрій у ци-юилазму, де⁴ окислюється в щавлевооцтову кислоту з наступним утворенням! (}юа]юенолпіровиноградної кислоти, яка описаним вище способом перетворюється в глюкозо-6-фосфат. Є дані, що свідчать і про інший шлях глюконеогенезу з метаболітів циклу трикарбонових кислот. Він відбувається виключно в мітохондріях, механізм даного процесу повністю ще не з'ясовано.

Біосинтез дисахаридів. Важтивими представниками дисахаридів є сахароза, лактоза, мальтоза та деякі інші. Біосинтез їх здійснюється в основному за реакціями трансглікозування. При цьому процес перенесення глікозильного залишку на один моносахарид проходить з фосфорного ефіру другого моносахариду. Реакція каталізується ферментом — специфічною глікозилтрансферазою. За приклад можна взяти синтез дисахариду — сахарози. Тут за участю ферменту сахарозо-глюкозилтрансферази відбувається перенесення залишку глюкози з глюкозо-1-фосфату до молекули фруктози: ;и₂ои

нон₂с .о. н

Сахароза

Фермент, який каталізує цю реакцію, виділений з бактерій. Очевидно, в них таким шляхом відбувається синтез сахарози.

Синтез сахарози може проходити й іншим способом, зокрема шляхом взаємодії уридиндифосфоглюкози з фруктозою. Реакцію каталізує фермент сахарозосинтаза: Так синтезується сахароза в рослинах.

Розглянемо біосинтез іншого дисахариду —лактози, яка складається з двох моноз — глюкози і галактози. Він проходить у кілька стадій. Спочатку галактозо-1-фосфат взаємодіє з уридиндифосфоглк>

Н ОН ОН Н

Сахароза

козою. При цьому утворюється уридиндифосфогалактоза і глюкозо-1-фосфат. Далі сполуки, що утворились, взаємодіють між собою, при цьому синтезуються лактоза та виділяється уридинтрифосфат. Першу стадію реакції каталізує фермент уридинтрансфераза, другу — гліко-зилтрансфераза (див. с 455, 456).

Біосинтезполісахариду глікогену (глікогенез). Процес синтезу глГ-когену інтенсивно проходить у печінці і має важливе значення в

Н

)Н Н

Лактоза

утворенні рухомого резерву полісахаридів в організмі. Вихідними сполуками для синтезу глікогену можуть бути глюкоза, яка всмоктується з кишок у кров, а також глюкоза і глюкозо-6-фосфат, що утворюються в процесі глюконеогенезу.

Процес синтезу глікогену розпочинається з фосфорилювання глюкози за участю ферменту гексокінази. При цьому утворюється глюко-зо-6-фосфат:

Н

СН,,-0-Р = 0

V он н он

Глюкозо-6-фосфат

Останній під впливом фосфоглюкомутази перетворюється на глюкозо-Ь фосфат:

Н

СН;-0-Р = 0

Фосфоглюкомутази

Н ОН

Глюкозо-6-фосфат Глюкозо-І-фосфат

Уридилдифосфоглюкоза

Далі внаслідок взаємодії глюкозо-1-фосфату з уридинтрифосфор-ною кислотою утворюється уридиндифосфоглюкоза. Реакція прохо*

дать під каталітичною дією ферменту глюкозо-1 -фосфатуридилтрансфе-рази (УДФГ-пірофосфорилази) (див. с 456).

На наступній стадії залишок глюкози від УДФ переноситься на ланцюг глікогену (затравку), внаслідок чого утворюється а (1 -v 4)-глюкозидний зв'язок між першим атомом вуглецю залишку глюкози ланцюга глікогену і четвертим гідроксилом залишку глюкози. Реакцію каталізує глікогенсинтетаза:

УДФ, що утворився внаслідок цієї реакції, піддається фосфорилю-ванию за участю АТФ і включається в новий цикл перетворень глюко-зо-1-фосфату. Утворення а (1 —*■ 6)-зв'язків у молекулі глікогену відбувається за участю спеціального розгалужуючого ферменту, внаслідок чого виникає розгалужена молекула глікогену, тобто глікоген, у якого поряд з а (1 -*■ 4)-зв'язками в окремих місцях ланцюга є а (1 ->• 6)-зв'язки.

Запитання і вправи для самоконтролю

1. Яка роль вуглеводів в організмі?

2. Яка добова потреба організму людини у вуглеводах?

3. В якому відділі травного каналу і під впливом яких ферментів відбувається перетравлювання вуглеводів? /

4. Схарактеризуйте шляхи розщеплення полісахаридів.

5. Перечисліть особливості розщеплення дисахаридів під впливом а, 6-глю-козидаз.

6. Запишіть рівняння реакцій розщеплення сахарози, лактози, мальтози,

7. Схарактеризуйте процеси всмоктування вуглеводів у тонкій кишці.

8. Запишіть рівняння реакції взаємоперетворення моносахаридів.

9. Зазначте основні шляхи розщеплення вуглеводів в організмі.

10. Що таке глікогеноліз і гліколіз?

11. Запишіть реакції анаеробного перетворення вуглеводів.

12. Розрахуйте енергетичний баланс анаеробного перетворення вуглеводів.

13. Зазначте шляхи перетворення піровиноградної кислоти.

14. Опишіть хімізм спиртового бродіння.

15. Опишіть хімізм перетворення піровиноградної кислоти на ацетил-КоА.

16. Напишіть рівняння реакцій циклу Кребса.

17. Обчисліть енергетичний ефект перетворення ацетил-КоА у циклі Кребса на С0₂ і И.О.

18. Обчисліть загальний енергетичний ефект перетворення глюкози на CO_t і і Н₂0.

19. У чому полягає суть процесу прямого окислення глюкозо-6-фосфату?

20. Схарактеризуйте процеси синтезу дисахаридів.

РОЗДІЛ XIII. ОБМІН ЛІПІДІВ