Гликолиз и цикл лимонной кислоты (Кребса) как основа жизнедеятельности организма

Он используется не только для окислительного катаболизма, т. е. расщепления углеводов, жирных кислот и аминокислот, но может служить также первой стадией многих биосинтетических путей, для которых он является источником молекул-предшественников (рис. 2).Под воздействием ряда важных вспомогательных ферментов некоторые промежуточные продукты цикла лимонной кислоты, главным образом а-кетоглутарат, сукцинат и оксалоацетат, могут удаляться из цикла и использоваться в качестве молекул-предшественников аминокислот. Скорость функционирования цикла лимонной кислоты при этом, казалось бы, должна снижаться, поскольку такой отток промежуточных продуктов из цикла должен понижать их концентрацию в клетке. В действительности же этого не происходит, т. к. убыль промежуточных продуктов цикла восполняется благодаря действию другого набора ферментов (анаплеротические реакции).Анаплеротические (пополняющие) реакции - специальные ферментативные реакции, обеспечивающие пополнение пула промежуточных продуктов цикла лимонной кислоты.. iPEPiТаблица 2Анаплеротические реакцииПируват + НСО3+ АТР — Оксалоацетат + ADP+ PiПечень, почкиФосфоенолпируват + СО2 + GDF— Оксалоацетат + GTPСердце, скелетная мусулатураФосфоенолпируват + НСО3 — Оксалоацетат + PiВысшие растения, дрожжи, бактерииПируват + НСО3" + NAD(P)H— Малат + NAD(P)+Широко распространена у эукариот и прокариотПри нормальных условиях реакции, отвлекающие промежуточные продукты из цикла, и реакции, восполняющие их убыль, находятся в состоянии динамического равновесия, так что концентрация этих продуктов в митохондриях остается более или менее постоянной.Наиболее важная анаплеротическая реакция в животных тканях - это ферментативное карбоксилирование пирувата за счет СО2 с образованием оксалоацетата); катализирует эту обратимую реакцию ферментпируваткарбоксилаза:Пируват + CO2 + ATP + H2OmM + >Оксалоацетат + ADP + p+ 2H+Рис. 3. Пируваткарбоксилазная реакцияНа рисунке видно, что карбоксильная группа биотина образует пептидную связь с s-аминогруппой остатка лизина, входящего в состав активного центра фермента. СО2 активируется, образуя N-карбоксипроизводное био-тинильной простетической группы. Затем эта карбоксильная группа □ непосредственный донорСО2 для пирувата □ переносится на пируват.[6]Если для цикла лимонной кислоты не хватает оксалоацетата или какого-нибудь другого промежуточного продукта цикла, то карбоксилирование пирувата стимулируется и запас оксалоацетата растет. Для ферментативного присоединения карбоксильной группы к молекуле пирувата требуется энергия. Её источником служит сопряженное с данной реакцией расщепление АТР до ADP и фосфата. Поскольку суммарная реакция сопровождается лишь незначительным изменением стандартной свободной энергии, мы можем заключить, что свободная энергия, необходимая для присоединения карбоксильной группы к пирувату, примерно равна свободной энергии, выделяющейся при гидролизе АТР.Повреждения ферментов гликолиза. В период между 1961-1975 гг. были описаны генетически обусловленные нарушения 11 из 13 ферментов гликолиза. По меньшей мере для 8 из описанных дефектов удалось показать связь с несфероцитарной гемолитической анемией. В ряде случаев наблюдали сопутствующие нарушения центральной нервной системы и мышц. В общем случае уменьшение активности фермента ниже критического значения приводит к накоплению метаболита, предшествующего данному блоку, и к падению концентрации метаболита, образующегося в данной реакции. Недостаточность некоторых из этих ферментов сопровождается побочными эффектами, например снижением уровня АТР. Однако системе присуща способность к регуляции, которая увеличивает ее стабильность, поэтому на основании данных только клинического и гематологического анализа нельзя судить о природе и степени повреждения фермента. Кроме того, обычно подобный анализ проводят на популяции в основном молодых эритроцитов, в которых активность ферментов, как правило, выше, чем в старых клетках, и поэтому недостаточность по отдельным ферментам может остаться незамеченной.Некоторые ферментативные нарушения описаны в таблице 4.3. Приведенные примеры позволяют сформулировать ряд замечаний более общего характера, касающихся дефектов ферментативных систем человека.Доступность материала для исследования ферментов гликолиза. В настоящее время наследственные повреждения известны почти для всех ферментов гликолиза. Этим гликолиз выделяется среди прочих путей метаболизма, для которых далеко не всегда известно, существуют ли наследуемые дефекты, затрагивающие хотя бы некоторые из ферментов. Проще всего можно объяснить этот факт тем, что необходимую для исследований кровь больных сравнительно легко получить: анализ венозной крови больных, находящихся в стационаре, вполне доступен в отличие, например, от соскоба кожи, не говоря уже о биопсии мозга. Кроме того, эритроциты-это высокоспециализированные клетки, поэтому в них функционируют далеко не все ферментативные системы, имеющиеся в других клетках. Таким образом, количество реакций, которые могут быть нарушены, относительно невелико. Это значительно облегчает анализ.Перечисленные преимущества клеток крови как объекта исследований широко использовались, например, при изучении глюкозо-6-фосфат—дегидрогеназы и особенно в исследованиях гемоглобина. При большинстве наследуемых дефектов ферментных систем у гомозигот сохраняется остаточная активность фермента. Во всех случаях, когда удавалось провести измерения, наблюдалась остаточная активность, иногда довольно значительная. В некоторых случаях причиной этого могла быть и активность другого фермента, способного катализировать ту же реакцию. Однако, как правило, повреждения фермента в результате отдельной мутации не столь значительны, чтобы полностью его инактивировать. По мнению Киркмана [1866], такая остаточная активность характерна для большинства наследственных повреждений ферментов у человека. Между тем в клетках бактерий мутации, как правило, вызывают полный блок того или иного пути метаболизма. Это обстоятельство можно объяснить отчасти тем, что в человеческой популяции происходит жесткий отбор на жизнеспособность: полный блок ключевых реакций метаболизма с большой вероятностью оказывается летальным. С другой стороны, у бактерий мутации удается обнаружить главным образом в тех случаях, когда активность того или иного фермента утрачена практически полностью. Мутанты с неполным блоком (leaky) нередко выживают даже на минимальной среде. Существует принципиальная разница между характером проявления мутаций у бактерий и человека. Му- тантные штаммы бактерий наиболее часто обнаруживают по утрате способности расти на среде, стандартной для конкретной культуры, в то время как большинство мутаций, затрагивающих ферменты человека, обнаружены у больных наследственными заболеваниями. С появлением методов, позволяющих изучать все типы мутаций у бактерий, у них был идентифицирован полный набор мутаций, сходных со структурными мутациями, затрагивающими ферментные системы человека.Клинические проявления наследственного дефекта фермента тесно связаны с нормальной активностью фермента в различных тканях. В одном организме и даже в отдельной клетке может существовать несколько форм данного фермента [10]. Это так называемые изоферменты. Их существование можно объяснить как негенетическими причинами (вторичные изменения фермента в тканях), так и генетическими (наличием разных генетических локусов, кодирующих полипептиды с более или менее значительными структурными различиями). Возможно, для таких пептидов существовал некогда общий предок, и различия между ними - результат дивергенции. Термин «изоферменты» применяется также к аллельным вариантам одно! о генетического локуса, различающимся по электрофоретической подвижности. Для многих ферментов показано существование таких множественных форм. Изоферменты катализируют одну и ту же метаболическую реакцию, однако, как правило, они тонко адаптированы к условиям, варьирующим в различных тканях.Наследственные повреждения ферментов - результат мутаций в отдельных генах. Именно поэтому обычно повреждается только один из имеющихся в организме изоферментов данной группы. Если изменения затрагивают более чем один изофермент, то скорее всего имеется общая для них полипептидная цепь или происходят какие-то вторичные изменения структуры фермента.Если поврежденный мутацией фермент активен лишь в одной, но не во многих тканях, фенотипическое проявление такой недостаточности имеет характерные особенности. Действие мутаций может быть плейотропным, т. е. одна мутация может вызывать целый ряд последствий. Естественно предполагать, что недостаточность ферментов, активных в нескольких типах тканей, будет обладать плейотропным эффектом. Это один из вероятных, но, конечно, далеко не единственный механизм возникновения плейотропии. Даже если фермент функционален только в одной ткани, его отсутствие может вызвать изменения в других тканях за счет сдвигов метаболизма, вызванных первичной мутацией. С другой стороны, в некоторых случаях, наследственные дефекты ферментных систем, которые можно обнаружить во всех тканях, выражаются в четких изменениях фенотипа только за счет соответствующих нарушений в одной из них. Вероятно, в других тканях дефект каким-то образом компенсируется.ЗаключениеГликолиз — это одна из древнейших систем биохимических реакций расщепления гексоз, которая впервые сформировалась у гетеротрофных прокариот, вероятно, еще в эпоху, когда в атмосфере Земли отсутствовал молекулярный кислород, и которая затем досталась «по наследству» всем эукариотическим организмам. Накопление молочной кислоты в цитоплазме клеток приводит к понижению рН, что неблагоприятным образом сказывается на работе многих цитоплазматических ферментов. Поэтому она удаляется из клеток тканей и через кровь поступает в клетки печени, в которых лактат вновь превращается в пировиноград-ную кислоту с ее последующим окислением с участием митохондрий (при наличии кислорода).Основные этапы гликолиза в клетках животных, растений и бактерий сходны. Однако у бактерий расщепление моносахаридов происходит в результате процесса брожения. Подобно гликолизу, брожение — многостадийный процесс, происходящий при участии ферментов, в результате которого образуется не только ПВК, но и разнообразные промежуточные продукты. Состав промежуточных продуктов определяется теми наборами ферментов, которые есть у разных штаммов бактерий. Существует несколько видов брожения, которые получили свои названия от конечного продукта процесса:В результате брожения (как и при гликолизе) синтезируются молекулы АТФ, на образование которых затрачивается примерно 30-40 % энергии, выделившейся при расщеплении 1 моля глюкозы (на образование 1 моля АТФ требуется до 40 кДж/моль энергии).Список литературыАльбертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки: В 3-х т.,2-е изд., пер.и доп. Т.1. Пер. с англ. – М.: Мир, 1994 – 517 с., ил.Бышевский А.Ш., Терсенов О.А. Биохимия для врача. Екатеринбург: Издательско-полиграфическое предприятие «Уральский рабочий». - 1994 – 384 с.Виноградов А.Д. Митохондриальная АТФ-синтезирующая машина: пятнадцать лет спустя.//Биохимия. – 1999 – Т.64. Вып.11 – с.1443-1456Галкин М.А., Сыроешкин А.В. Кинетический механизм реакции синтеза АТФ, катализируемый митохондриальной F0-F1-АТФазой.//Биохимия. – 1999 – Т.64.Вып 10 – с.1393-1403Гринстейн Б., Гринстейн А. Наглядная биохимия. – М.: «Медицина» 2000 – с.68-69, 84-85Зайчик А.Ш., Чурилов Л.П. Основы общей патологии. Часть 2. Основы патохимии. – СПб. – 2000 – 384 с.Козинец Г.И. Физиологические системы человека. – М.: «Триада-Х»  - 2000 – с.156-164Коровина Н.А., Захарова И.Н., Заплатников А.Л. Профилактика дефицита витаминов и микроэлементов у детей (справочное пособие для врачей). – Москва, 2000Ленинджер А. Основы биохимии. – М.: Мир – 1991 – 384 с.Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека: В2-х т. Т.1.Пер с англ.: - М.: Мир – 1993 – 384 с.Николаев А.Я. Биологическая химия. Учеб. для мед. спец. Вузов – М.: Высшая школа. – 1989 – 495с.Рябов Г.А. Гипоксия критических состояний. – М.: Медицина. – 1992 – 288 с.Самарцев В.Н. Жирные кислоты как разобщители окислительного фосфорилирования.// Биохимия. – 2000 – Т.65.Вып.9 – с.1173-1189Скулачев В.П. Кислород в живой клетке: добро и зло.// Соросовский образовательный журнал. – 1996 - №3 – с.4-10Скулачев В.П. Эволюция биологических механизмов запасания энергии.// Соросовский образовательный журнал. – 1997 - №5 – с.11-19Скулачев В.П. Стратегии эволюции и кислород.// Природа. – 1998 - №12 – с.11-20Тутельян В.А., Алексеева И.А. Витамины антиоксидантного ряда: обеспеченность населения и значение в профилактике хронических  заболеваний.// Клиническая фармакология и терапия. – 1995 - №4 (1) – с.90-95Nelson D. L., Cox M. M. Lehninger Principles of biochemistry. Fourth edition. - New York: W. H. Freedman and Company, 2005.- 1119 p.