Биохимические основы жизнедеятельности организма человека - Волков Н.И., Несен Э.Н. 2000

Биохимические основы жизнедеятельности организма человека
Биохимия углеводов
Внутриклеточный обмен углеводов

Внутриклеточный обмен углеводов включает процессы синтеза и распада гликогена в скелетных мышцах и печени, распад и окисление глюкозы с высвобождением энергии и новообразование глюкозы из веществ неугле­водной природы.

Биосинтез гликогена — лепонирование углеволов

Избыточное количество глюкозы, поступившей с кровью, откладывается про запас главным образом в печени и скелетных мышцах. Синтез и накопление гликогена называется депонированием углеводов. Гликоген является основным углеводным энергетическим резервом организма. От запасов его в скелетных мышцах и печени зависит длительность выполне­ния мышечной работы, поэтому в практике спорта используются специаль­ные методы накопления гликогена в тканях.

Синтез гликогена из молекул глюкозы осуществляется с помощью гликогенсинтетазы и уридинтрифосфата (УТФ) как источника энергии. Этому процессу предшествует несколько реакций превращения глюкозы, пред­ставленных на рис. 62. Глюкоза с участием фермента гексокиназы и АТФ превращается в глюкозо-6-фосфат, который под воздействием фермента фосфоглюкомутазы переходит в глюкозо-1-фосфат. Из глюкозо-1-фосфа­та с участием УТФ образуется активная форма УДФ-глюкозы, которая под воздействием фермента гликогенсинтетазы присоединяется к последнему остатку гликогена:

Рис. 62 Схема биосинтеза гликогена

Таким образом молекула гликогена увеличивается на один остаток глюкозы. Синтез гликогена с участием гликогенсинтетазы возможен только при наличии небольшого количества гликогена — так называемой затравки. С удлинением молекулы гликогена активность фермента уве­личивается. Ветвление ее осуществляется ферментом трансгликогеназой.

Синтез гликогена требует затрат энергии АТФ, УТФ и пирофосфата. При удлинении молекулы гликогена только на один остаток глюкозы ис­пользуется 41 кДж энергии. Поэтому этот процесс в тканях интенсивно протекает в аэробных условиях за счет АТФ, образующейся путем окис­лительного фосфорилирования. В печени он накапливается при уси­ленном питании, а в мышцах — после истощения его запасов, например после длительной физической нагрузки. Наибольшая скорость синтеза гликогена наблюдается в период отдыха на 30—40-й минуте после при­ема углеводной пищи. Это необходимо учитывать при построении режи­ма питания во время соревнований, с тем чтобы усилившийся процесс синтеза не затормозил использование гликогена при мышечной дея­тельности.

Усиливается синтез гликогена под воздействием гормона поджелу­дочной железы — инсулина, который регулирует поступление глюкозы в ткани, а ингибируется адреналином, так как он угнетает активность фермента гликогенсинтетазы. Уровень гликогена в печени и других тка­нях может увеличиваться только до определенного предела, поскольку высокие концентрации его в тканях угнетают активность гликогенсинте­тазы.

Распад гликогена — мобилизация углеволов

Процесс распада гликогена до молекул глюкозы называется мобилиза­цией углеводов. Расщепление гликогена происходит в основном путем фосфоролиза с участием фермента гликогенфосфорилазы и фосфорной кислоты (Н₃РО₄). От гликогена отщепляется молекула глюкозы в виде глюкозо-1-фосфата:

Образовавшийся глюкозо-1-фосфат быстро превращается в глюкозо-6-фосфат. В печени он расщепляется ферментами фосфатазами на свободную глюкозу и фосфорную кислоту. Молекулы свободной глю­козы легко поступают в кровь и используются многими тканями организ­ма как энергетический субстрат. В скелетных мышцах такие фосфатазы отсутствуют, поэтому гликоген в них используется только для собствен­ных нужд.

Скорость распада гликогена в мышцах зависит от их функциональной активности, а в печени — от уровня глюкозы в крови. При мышечной де­ятельности скорость мобилизации гликогена в печени зависит от интен­сивности выполняемой нагрузки: при умеренной работе она возрастает в 2—3 раза, а при интенсивной — в 7—10 раз по сравнению с состояни­ем покоя.

Распад гликогена в печени продолжается и в период отдыха. Образую­щаяся глюкоза способствует восстановлению запасов гликогена в сердеч­ной и скелетной мышцах, т. е. происходит перераспределение углеводов между отдельными тканями.

Гликолиз

Извлечение метаболической энергии из углеводов происходит почти во всех клетках организма человека и включает две основные фазы — бес­кислородное (анаэробное) окисление, которое протекает в цитозоле пре­имущественно скелетных мышц и называется гликолизом, и кислородное (аэробное) окисление, протекающее в митохондриях на ферментах цикла лимонной кислоты и дыхательной цепи.

Гликолиз — это постепенный распад молекулы глюкозы или гликоге­на (гликогенолиз) до двух молекул пировиноградной кислоты, которая в анаэробных условиях превращается в молочную кислоту. Он включает десять химических реакций, представленных на рис. 63. Этот процесс можно разделить на две основные стадии — подготовительную и окисли­тельную. В подготовительной стадии молекула глюкозы постепенно рас­падается до двух молекул 3-фосфоглицеринового альдегида, при этом используется две молекулы АТФ. В окислительной стадии происходит дальнейшее их окисление с образованием пирувата и четырех молекул АТФ. Начинается гликолиз с активации молекулы глюкозы в присутствии АТФ с образованием глюкозо-6-фосфата или фосфоролиза гликогена с отщеплением глюкозо-1-фосфата. Реакция фосфорилирования глюкозы катализируется ферментом гексокиназой и требует наличия ионов Мg²⁺. Гексокиназа — это регуляторный аллостерический фермент, активность ко­торого зависит от содержания АТФ в клетке. При низкой концентрации АТФ фермент активен, а при высокой ее концентрации — не активен и процесс гликолиза «выключается», так как энергия в данный момент не использу­ется. Далее глюкозо-6-фосфат превращается в фруктозо-6-фосфат с участием фермента глюкозофосфатизомеразы. Фруктозо-6-фосфат фосфорилируется с использованием энергии АТФ, в результате чего об­разуется фруктозо-1,6-дифосфат. Реакция катализируется ферментом фосфофруктокиназой (ФФК).

Рис. 63 Схема гликолиза (а) и его химические реакции (б)

Фосфофруктокиназа является ключевым аллостерическим ферментом, регулирующим скорость гликолиза. Его активность зависит от концентра­ции АТФ и других метаболитов (молочной кислоты, цитрата), которые вли­яют на его активность. Так, в мышцах в состоянии покоя концентрация АТФ относительно высокая и процесс гликолиза не активен. Во время работы мышцы интенсивно расходуется АТФ, что повышает активность ФФК и приводит к усилению гликолиза. Однако накопление молочной кислоты — конечного продукта анаэробного гликолиза — ингибирует этот фермент и скорость гликолиза.

Первый этап гликолиза завершает реакция расщепления фруктозо-1,6-дифосфата на две триозы — фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиацетон под воздействием фермента альдолазы. Образовавшиеся триозы являются изомерами и способны взаимопревращаться. В после­дующие реакции гликолиза вступают две модели 3-фосфоглицеринового альдегида.

Окислительная стадия начинается с окисления 3-фосфоглицеринового альдегида при участии дегидрогеназы, содержащей кофермент НАД, и фосфорной кислоты. Кофермент НАД в этой реакции присоединяет водо­род и превращается в НАДН₂. В аэробных условиях НАДН2 может пере­дать водород на кислород с образованием 3АТФ. Образовавшаяся 1,3-дифосфоглицериновая кислота содержит макроэргетическую связь и способна вступить в реакцию перефосфорилирования с АДФ, ведущую к образованию АТФ и 3-фосфоглицериновой кислоты. Такой процесс обра­зования АТФ называется субстратным фосфорилированием. Он катализи­руется ферментом фосфоглицераткиназой.

3-Фосфоглицериновая кислота под влиянием фермента фосфоглицеромутазы превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту. Последняя при участии фермента энолазы теряет молекулу воды и превращается в фосфоэнолпировиноградную кислоту. В результате внутримолекулярного окислительно-восстановительного процесса у второго углеродного атома этой кислоты образуется макроэргическая связь, при разрыве которой с участием фермента пируваткиназы происходит перенос фосфорного ос­татка от фосфоэнолпировиноградной кислоты на АДФ (второе субстрат­ное фосфорилирование), а также образование двух молекул пировиног­радной кислоты и двух молекул АТФ.

Гликолиз в анаэробных условиях завершается реакцией восстановле­ния пировиноградной кислоты до молочной под воздействием фермента лактатдегидрогеназы. Источником водорода служат молекулы НАДН₂, об­разующиеся при окислении 3-фосфоглицеринового альдегида. Таким об­разом, конечным продуктом анаэробного гликолиза является молочная кислота. В аэробных условиях пировиноградная кислота не превращает­ся в молочную и окисляется далее в цикле лимонной кислоты до конеч­ных продуктов обмена. Суммарное уравнение процесса гликолиза можно представить в виде

В процессе гликолиза постепенно высвобождается 196 кДж энергии. Большая часть ее рассеивается в виде тепла (135 кДж), а меньшая — накапливается в макроэргических связях двух молекул АТФ. Эффектив­ность запасания энергии в форме АТФ при гликолизе составляет 40 %. Основная часть энергии, аккумулированной в молекуле глюкозы (2880 кДж), остается в продукте гликолиза — двух молекулах молочной кислоты и может высвобождаться только при их аэробном окислении. В гликолизе образуются многие вещества, необходимые для пластических процессов в клетках. Особенно много при этом накапливается молочной кислоты, которая быстро диффундирует из скелетных мышц в кровь и вли­яет на кислотно-основное состояние организма. Уровень молочной кисло­ты в крови только до некоторой степени отражает интенсивность гликоли­за в мышцах, поскольку кислота частично метаболизирует в них. В норме концентрация молочной кислоты в крови находится в пределах 1— 1,5 ммоль ∙ л^-1.

Молочная кислота в водной среде диссоциирует на протон водорода (Н⁺) и анион кислотного остатка:

Анион кислотного остатка молочной кислоты в водной среде способен взаимодействовать с катионами металлов (Na⁺, К⁺) и образовывать соли — лактаты. Поэтому часто молочную кислоту называют лактат.

Гликолиз и гликогенолиз играют важную роль при мышечной деятель­ности анаэробного характера. Они обеспечивают энергией интенсивную работу в пределах от 30 с до 2—5 мин.

Молочная кислота образуется в мышцах с наибольшей скоростью в те­чение 40—45 с интенсивной физической нагрузки за счет максимального включения анаэробного гликолиза. Уровень молочной кислоты при этом повышается в 4—5 раз и после напряженной работы в течение 1—5 мин может достигать 10 ммоль ∙ л^-1 и более. Это приводит к закислению сре­ды организма (ацидозу). Если емкость буферных систем исчерпывается, pH крови может изменяться от 7,34 до 7,0 или даже 6,8 при истощающих нагрузках. Такое закисление среды организма влияет на функции нервной системы и скелетных мышц, приводит к снижению работоспособности и развитию утомления. Поскольку концентрация молочной кислоты в крови зависит от интенсивности гликолиза в мышцах, а последний — от интенсив­ности выполняемых физических нагрузок и уровня тренированности орга­низма, показатель содержания молочной кислоты в крови широко исполь­зуется в биохимическом контроле функционального состояния спортсмена (см. главу 24).

После прекращения работы около 55—70 % молочной кислоты исполь­зуется тканями, в том числе мышцами, как источник энергии, около 5—7 % выводится с мочой, а остальная часть используется в печени для новооб­разования глюкозы и восполнения гликогена в мышцах. Выведение молоч­ной кислоты из мышц, ее окисление после прекращения работы ускоряет­ся при активном отдыхе.

Аэробное окисление углеводов

Аэробное окисление глюкозы — это многостадийный процесс распада ее мо­лекулы до конечных продуктов обмена СО₂ и Н₂О с образованием 38 моле­кул АТФ и выделением тепловой энергии (рис. 64). Протекает оно при участии кислорода, который доставляется в ткани с участием белка гемо­глобина. Этот процесс окисления углеводов — один из главных механизмов образования АТФ в тканях организма. Он включает такие основные стадии:

✵ гликолитический распад молекулы глюкозы до двух молекул пирови­ноградной кислоты (ПВК);

✵ превращение ПВК в ацетил-КоА;

✵ окисление ацетил-КоА в цикле лимонной кислоты и на дыхательной цепи.

Процесс распада молекулы глюкозы до пировиноградной кислоты про­текает одинаково в анаэробных и аэробных условиях, как описано выше (см. «Гликолиз»). Образовавшаяся в гликолитической стадии пировиног­радная кислота подвергается далее окислительному декарбоксилированию, в результате чего образуются макроэргическое вещество ацетил-КоА, восстановленная форма НАДН₂ и одна молекула СО₂. Если в процес­се гликолиза образовалась молочная кислота, то в аэробных условиях она превращается в пировиноградную кислоту.

Ацетил-КоА далее включается в цикл лимонной кислоты, где расщеп­ляется до СО₂ и Н₂О. Вода образуется на системе дыхательных фермен­тов при взаимодействии водорода, образовавшегося в реакциях биологи­ческого окисления, с атомарным кислородом вдыхаемого воздуха. Сум­марное уравнение аэробного окисления молекулы глюкозы можно пред­ставить таким образом:

Химические реакции окисления молекулы ацетил-КоА в цикле лимон­ной кислоты рассмотрены в главе 3 (см. рис. 18).

Энергетическая эффективность аэробного окисления молекулы глюкозы

При полном окислении одной молекулы глюкозы до СО₂ и Н₂О энергия на­капливается в виде 10 НАДН₂ (2 из них образуются в гликолизе, 2 — при превращении ПВК в ацетил-КоА и 6 — в цикле лимонной кислоты), а также 2ФАДН₂, 2 молекулы ГТФ, равноценные АТФ и 2АТФ в процессе гли­колиза (см. рис. 64). Передача водорода по системе дыхательных пере­датчиков от НАДН₂ на кислород сопряжена с образованием трех молекул АТФ, а от ФАДН₂ — двух молекул АТФ. Следовательно, из 10 НАДН₂ обра­зуется 30 АТФ, а из 2ФАДН₂ — 4 АТФ. Суммарный выход АТФ на одну мо­лекулу глюкозы составляет 38 АТФ (табл. 15).

Рис. 64 Схема аэробного окисления глюкозы и энергетическая эффективность этого процесса

ТАБЛИЦА 15 Накопление энергии на отдельных стадиях окисления молекулы глюкозы

Однако в мышечной и нервной тканях 2 молекулы НАДН₂, которые об­разуются в цитоплазме в процессе гликолиза, сами в митохондрии не по­ступают, а передают водород на переносчик ФАД, поэтому в дыхательную цепь водород уже передается от 2 ФАДН₂, что сопровождается образова­нием не 6 АТФ, а только 4 АТФ. Поэтому в скелетных мышцах при полном окислении молекулы глюкозы образуется 36 АТФ.

Аэробный метаболизм глюкозы по накоплению АТФ в 19 (18) раз бо­лее эффективен, чем анаэробный. Он имеет большой коэффициент полез­ного действия (около 45 %), так как из 2880 кДж свободной энергии окис­ления глюкозы 1311 кДж аккумулируется в АТФ. Аэробное окисление угле­водов — основной механизм энергообеспечения аэробной мышечной ра­боты в течение нескольких часов.

Пентозный цикл окисления углеводов

В некоторых тканях организма (печени, эритроцитах, жировой ткани) воз­можен и другой аэробный путь прямого окисления углеводов, который на­зывается пентозным циклом. В этом цикле накапливается энергия в виде НАДФН₂, которая используется в биосинтетических процессах, а также об­разуются пентозы (рибоза и др.), необходимые для синтеза нуклеотидов (АТФ, НАД, ФАД, нуклеиновые кислоты), и глицериновый альдегид, который может превращаться в пировиноградную кислоту или включаться в гликолиз. Суммарное уравнение пентозного цикла имеет следующий вид:

6 глюкозо-6-фосфат + 12НАДФ + 7Н₂О →

→ 5 глюкозо-6-фосфат + 12НАДФН₂ + 6СО₂ + Н₃РО₄

В процессе этого цикла молекула глюкозо-6-фосфата полностью окис­ляется до СО₂. Основные четыре механизма пентозного цикла окисления углеводов представлены на рис. 65.

Рис. 65 Четыре механизма пентозофосфатного пути окисления углеводов

Глюконеогенез

Процесс новообразования глюкозы в тканях организма из веществ неугле­водной природы называется глюконеогенезом. Глюкоза может синтезиро­ваться из пировиноградной и молочной кислот, а также из ацетил-КоА, глицерина и аминокислот (рис. 66). Все они, кроме глицерина, проходят через стадию образования пировиноградной кислоты. Многие реакции глюконеогенеза представляют собой обращение соответствующих реак­ций, имеющих место в процессе гликолиза. Однако имеются дополнитель­ные обходные реакции, например образование фосфоенолпировиноградной и пировиноградной кислот.

Процесс новообразования глюкозы активно протекает в печени, поч­ках, а при физических нагрузках — и в скелетных мышцах. Благодаря этому процессу предотвращается резкое снижение уровня глюкозы в крови и гликогена в печени (например, при длительной мышечной работе).

Важное значение в восстановлении уровня глюкозы и гликогена в пе­чени и скелетных мышцах имеет процесс превращения молочной кислоты в глюкозу, который называется циклом Кори. Постепенное превращение многих аминокислот через аминокислоту аланин в молекулы глюкозы обеспечивает также другой цикл — глюкозоаланиновый (рис. 67).

Особенность этих циклов заключается в том, что молочная кислота и аланин, образуясь в скелетных мышцах, кровью транспортируются в пе­чень, где превращаются в глюкозу. Это энергозависимый процесс. Из пе­чени глюкоза поступает в кровь и снова используется мышцами для вос­становления запасов гликогена. Данный процесс имеет существенное зна­чение в организме при мышечной деятельности. Благодаря ему предот­вращается резкое снижение запасов гликогена в мышцах и уровня глюко­зы в крови.