Введение в обмен веществ. Энергетический обмен

1. КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ И КЛИНИЧЕСКОЙ БИОХИМИИ

Лекция по теме:
ВВЕДЕНИЕ В ОБМЕН
ВЕЩЕСТВ.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН
Краснодар
2017

2. Стадии обмена веществ

1. Переваривание – ферментативный
гидролиз в желудочно-кишечном тракте
2. Транспорт веществ:
● всасывание (резорбция)
● физический транспорт кровью и лимфой
● трансмембранный перенос в клетку
3. Метаболизм (анаболизм + катаболизм)
4. Выведение конечных продуктов обмена
из организма

3. Химический состав тела человека

Вес 70 кг
• Вода 42 кг
• Неорганические вещества 3 кг
• Органические вещества 25 кг
● белки ≈15 кг
● липиды ≈ 10 кг
● углеводы ≈ 0,7 кг

4. Пищевые вещества (нутриенты)

• Основные пищевые вещества
(макронутриенты)
белки ( 100 г/сут)
липиды ( 100 г/сут)
углеводы ( 450 г/сут)
• Минорные пищевые вещества
(микронутриенты)
витамины
минеральные вещества

5. Метаболизм

Катаболизм –
Анаболизм –
совокупность
совокупность
поэтапных
поэтапных
ферментативных
ферментативных
процессов
процессов
построения сложных
расщепления
сложных молекул до веществ из более
простых
простых.
предшественников.
Идёт с
Идёт с затратой
высвобождением
энергии,
энергии –
эндэргонический
экзэргонический
процесс
процесс

6. Значение метаболизма

1. Снабдить клетку энергией
2. Обеспечить строительными блоками
3. Собрать макромолекулы для
построения клеточных структур
4. Обеспечить распад функционально
активных молекул (ферментов,
гормонов, медиаторов и др.)

7. Общая энергия вещества

Свободная
Связанная
Полезная
Бесполезная
(макроэргические
связи)
(тепло)

8. Превращения полезной энергии

9. Макроэргическая связь

• Богатая энергией связь (> 5
ккал или 21 кДж/моль);
• Энергия макроэргической
связи превращается в работу,
минуя стадию тепла.

10.

Тиоэфирные
макроэргические
соединения
R
С
O
~
SKoA

11. Макроэргические соединения Производные фосфорной кислоты

Карбоксилфосфатные
OH
O
R
С
O
~P
OH
O

12.

Енолфосфатные
OH
R
С
O
CH2
~P
OH
O

13.

Аминофосфатные
OH
R
NH
~P
OH
O

14. Пирофосфатные

15. Адениловая система

Аденозин
Аденозинмонофосфат (АМФ)
Аденозиндифосфат (АДФ)
Аденозинтрифосфат (АТФ)

16. Фосфорилирование АДФ

АДФ + НР
Q 7,1ккал
АТФ
Энергия для фосфорилирования может
1. содержаться в субстрате (субстратное
фосфорилирование) или
2. выделяться при окислении (окислительное
фосфорилирование)

17. Субстратное фосфорилирование

S~P + АДФ → АТФ + S

18. Стадии катаболизма по Кребсу

переваривание
образование
ключевых
продуктов

19. Строение митохондрии

Внутренняя мембрана
Наружная мембрана
Кристы
Матрикс

20. Дыхательная цепь (цепь тканевого дыхания, цепь переноса электронов – ЦПЭ) –

комплекс ферментов, локализованных во
внутренней мембране митохондрий,
катализирующий реакции переноса
водорода (протонов и электронов) от
окисляемого субстрата на кислород. При
переносе водорода на кислород
образуется вода и энергия.

21. Субстраты окисления (дегидрирования)

1. Предельные углеводороды

22.

Субстраты окисления
(дегидрирования)
2. Первичные спирты
спирт
альдегид

23.

Субстраты окисления
(дегидрирования)
3. Вторичные спирты
спирт
кетон

24.

Субстраты окисления
4. Альдегиды
альдегид
кислота

25. Компоненты дыхательной цепи

• НАД-зависимые дегидрогеназы
• ФАД-зависимые дегидрогеназы
• Коэнзим Q (КоQ, убихинон)
• Система цитохромов

26. НАД-зависимые дегидрогеназы (первичные акцепторы водорода)

27. ФАД-зависимые дегидрогеназы

28. Убихинон (КоQ)

29. Переносчики электронов (цитохромы)

2
3+
Fe
+ 2 e- 2 e-
2
2+
Fe

30. Цитохромная система

b
c1
c
a1 a3
Цитохромоксидаза

31. Дыхательная цепь

Sокисл

32. Хемиосмотическая теория Митчелла

33. Коэффициент фосфорилирования – количество фосфатных групп, утилизированных при восстановлении одного атома кислорода

Р = 3 или 2
О

34.

Действие
разобщителей

35. Регуляция дыхательной цепи

• Состояние депо энергии:
АДФ + НР активатор
АТФ ингибитор
Целостность мембран
митохондрий, их проницаемость
Состояние коферментов:
Ко окисл активатор
КоН2 восст ингибитор
Наличие разобщителей

36. Нарушения дыхательной цепи

• Голодание – нет субстратов
окисления
• Авитаминозы – отсутствие
коферментов
• Гипоксии – недостаток
кислорода, нет акцептора
электронов

37. Стадии катаболизма по Кребсу

38.

Окислительное
декарбоксилирование
пирувата
Е 1 Е2 Е 3
CH3
С
O
ТПФ, ЛК, НАД,
ФАД, КоА
пируватCOOH дегидрогеназный
комплекс
пируват
O
+
СО2 + НАДН + Н + H3C
С
~SКоА
ацетил-КоА

39. Источники ацетил-КоА

ГЛЮКОЗА

40. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

41.

42.

43. Схема превращений в ЦТК

АДФ + НР
АТФ

44. Энергетика ЦТК

3 НАДН+Н+ = 3х3 АТФ = 9 АТФ
1 ФАДН2
= 2 АТФ
11 АФТ за счёт
окислительного
фосфорилирования
1 АТФ за счёт субстратного
фосфорилирования
Суммарно 12 АТФ

45. Регуляция ЦТК

Аллостерическая регуляция
(изоцитратдегидрогеназа, цитратсинтетаза)
Состояние депо энергии:
АДФ + НР активатор
АТФ ингибитор
Состояние коферментов:
Ко окисл активатор
КоН2 восст ингибитор
Проницаемость мембран
митохондрий

46. Биологическая роль ЦТК

1. Источник полезной энергии – 12 АТФ
2. Источник строительного материала:
- сукцинил-КоА: гем;
- α-кетоглутарат: аминокислоты – пролин,
глутаминовая кислота, глутамин;
- оксалоацетат: глюкоза, аспарагиновая
кислота, аспарагин, пиримидиновые
нуклеотиды.

47. Причины нарушений ЦТК

• Голодание
• Авитаминозы
• Гипоксия
• Поступление ингибиторов
ферментов

48. Микросомальное окисление

S-H + О2
S-H + 1/2 О2
диоксигеназы
(оксидазы)
S-О2
S-ОН
монооксигеназы гидроксилированное
(гидроксилазы)
соединение

49. Активные формы кислорода

О2 + е
+
О2 + Н
О2
супероксидный
анион-радикал
НО2
гидропероксидный
радикал
+
О2 + е + 2 Н
Н2О2
+
О2 + 3 е + 3 Н
пероксид
водорода
Н2Огидроксидный
+ ОН
радикал

50. Повреждающее действие свободных радикалов на компоненты клетки

Разрушение
белков
Разрушение
мембран
митохондрий
Повреждение
эндоплазматического
ретикулума
Нарушение
проницаемости
плазматической
мембраны
Разрушение
ядерной мембраны,
повреждение ДНК
Перекисное
окисление липидов
мембран

51. Классификация углеводов

углеводы
моносахариды
альдозы
олигосахариды
(2-10
моносахаридных
остатков)
кетозы
полисахариды
гомополисахариды
гетерополисахариды

52. Функции углеводов

• Энергетическая
• Резервная (гликоген печени – резерв глюкозы
крови, гликоген мышц – резерв энергии)
• Структурная (олисахаридные фрагменты
гликопротеинов и гликолипидов,
гетерополисахариды соединительной ткани)
• Защитная (иммунохимическая защита, факторы
свёртывания крови, слизистые секреты – муцины,
мукоиды)
• Специфические (межклеточные контакты,
рецепторы, некоторые гормоны, гепарин –
антикоагулянт и др.)

53. Моносахариды

пентозы
СН2ОН
O
СН2 ОН
O
СН2ОН
O
OH
OH
OH
OH
D-рибоза
OH
OH
OH
OH
H
D-дезоксирибоза D-ксилоза
гексозы
СН2ОН
OH
Н
СН2ОН
O
O
HO
O
O
СН2ОН
OH
OH
OH
D-глюкоза
OH
OH
HO
СН 2ОН
OH
OH
OH
OH
OH
OH
D-галактоза
СН2 ОН
O
D-манноза
D-фруктоза

54. Дисахариды пищи

сахароза

55. Дисахариды пищи

лактоза

56. Дисахариды пищи

мальтоза

57. (крахмал, гликоген)

Полисахариды
(крахмал, гликоген)
гликоген
крахмал

58. Гетерополисахариды (гиалуроновая кислота)

остаток D-глюкуроновой
кислоты
остаток N-ацетилD-глюкозамина

59. Гидролиз гликозидной связи

гликозидазы

60. Гидролиз крахмала панкреатической амилазой

Н 2О
Н 2О

61. Гидролиз дисахаридов

мальтоза
изомальтоза
мальтаза
Gl
Gl
сахароза
изомальтаза
Gl
лактоза
сахараза
Gl
Fr
Gl
лактаза
Gl
Gal

62. Всасывание моносахаридов

• Облегчённая диффузия по
градиенту концентраций
(пассивный транспорт)
• Активный транспорт против
градиента концентраций
совместно с ионами Na+ и с
затратой энергии АТФ

63. Транспорт глюкозы в клетки

С помощью транспортных белков –
«глюкозных транспортёров» (ГЛЮТ)
ГЛЮТ-1
инсулинНЕзависимые
транспортёры
ГЛЮТ-2
(печень, мозг, почки и пр.)
ГЛЮТ-3
ГЛЮТ-5
ГЛЮТ-4
инсулинзависимые
транспортёры
(мышцы, жировая ткань)

64. Транс-мембранный перенос глюкозы

Инсулин
мембрана
ГЛЮТ-4
Рецептор
везикула
Gl
Белок-переносчик
глюкозы (ГЛЮТ-4)
Трансмембранный
перенос
глюкозы

65. Источники и пути использования глюкозы

66. Катаболизм глюкозы

ГЛЮКОЗА
прямое (апотомическое),
или пентозофосфатное,
окисление
непрямое
(дихотомическое)
окисление
С6
С1
С6
С5
С3
С3

67.

Анаэробный гликолиз
1. Подготовительная фаза (фосфорилирование)

68.

СН 2О
O СН 2О
HO
OH
O
Р
OH
фруктозо-1,6дифосфат
Р
СН 2О
Р
альдолаза
С
O
С
+
СН 2ОН
диоксиацетонфосфат
H
СН-ОН
СН 2О
Р
глицеральдегид3-фосфат
изомераза
фосфотриоз

69.

2. Гликолитическая (внутримолекулярная)
оксидоредукция

70.

3. Восстановление пирувата

71. Общая схема гликолиза

I
подготовительная
II
гликолитическая
оксидоредукция
Общая
схема
гликолиза

72. Биологическая роль

• Неэкономный, но в бескислородных
условиях единственный способ
получения полезной энергии
• Поставщик субстратов в реакции
аэробного окисления
• Путь, обеспечивающий взаимосвязь
аэробного и анаэробного окисления и
всех видов метаболизма

73. Регуляция анаэробного гликолиза

• Аллостерическая регуляция
(фруктокиназа)
• Концентрация субстрата
• Концентрация кислорода
• Состояние депо энергии
АДФ + НР активатор
АТФ ингибитор
• Состояние
коферментов
+
НАД активатор
НАДН+Н+ ингибитор

74. Цикл Кори

75. Гликонеогенез –

процесс синтеза глюкозы из
неуглеводных веществ
(лактат, пируват, глицерин)
за счёт обратимости действия
большинства ферментов
гликолиза (за исключением
трёх «киназных барьеров»).
Активируется

76. Пируваткиназный барьер – 1-я реакция

CH3
С
COOH
СО2
АТФ
АДФ + НР
O
COOH
пируват
пируваткарбоксилаза
биотин
СН 2
С
O
COOH
оксалоацетат

77. Пируваткиназный барьер – 2-я реакция

COOH
СН 2
С
O
COOH
оксалоацетат
АТФ
АДФ
СО2
CH2
С
фосфоенолпируваткарбоксикиназа
биотин
O
~ PO H
3 2
COOH
фосфоенолпируват

78. Фруктокиназный барьер

СН 2О
Р
O СН 2О
HO
OH
OH
фруктозо-1,6дифосфат
СН 2О
Р
Н2О
Н3РО4
дифосфатаза
Р
O СН 2ОН
HO
OH
OH
(фруктозо-1,6-дифосфатфосфатаза) фруктозо-6-фосфат

79. Глюкокиназный барьер

СН 2О
Р
O
Н2О
СН 2ОН
Н3РО4
O
OH
OH
HO
OH
OH
глюкозо-6-фосфат
монофосфатаза
(глюкозо-6-фосфат
фосфатаза)
HO
OH
OH
глюкоза
Суммарное уравнение гликонеогенеза
2 лактат + 6 АТФ = глюкоза + 6 АДФ + 6 НРi

80.

глюкоза
АТФ
АДФ
глюкозо-6-фосфат
фруктозо-6-фосфат
АТФ
АДФ
Связь гликолиза
и
гликонеогенеза
Н3РО4
Н2О
Н3РО4
Н2О
фруктозо-1,6-дифосфат
диоксиацетонфосфат
2 глицеральдегидфосфат
2 НАД+
2 НАДН+Н+
2 Н3РО4
2 Н3РО4
2 НАД
+
2 НАДН+Н+
2 1,3-дифосфоглицерат
2 АДФ
2 АДФ
2 АТФ
2 АТФ
2 3-фосфоглицерат
2 2-фосфоглицерат
2 фосфоенолпируват
СО2
2 АДФ
2 АТФ
2 оксалоацетат
2 пируват
2 НАДН+Н+
2 НАД+
2 АДФ
2 АТФ
2 лактат
СО2
2 АДФ
2 АТФ
2 НАДН+Н+
2 НАД+

81. Дихотомический распад глюкозы

Дихотомический распад
В анаэробныхглюкозы
• Распад глюкозы до
пирувата
• Восстановление
пирувата до лактата
В аэробных условиях
(в присутствии кислорода,
протекает в цитозоле и
митохондриях)
• Распад глюкозы до
пирувата (в
цитозоле)
• Окислительное
декарбокилирование
пирувата
• Цикл трикарбоновых
(в митохондриях)
условиях (без
кислорода, протекает
в цитозоле)

82. Аэробный дихотомический распад глюкозы ЭТАПЫ:

• Распад глюкозы до пирувата;
• Окислительное
декарбоксилирование
пирувата;
• Цикл трикарбоновых кислот.

83. Схема аэробного дихотомического распада

аэробный
гликолиз
С3
СО2
2 пируват
СО2
С2
С2
СО2
СО2
СО2
окислительное
декарбоксилирование ПВК
2 СН3СО~КоА
цикл
трикарбоновых
кислот
ЦТК
митохондрии
СО2
С3
цитозоль
Схема аэробного
дихотомического
распада
глюкоза
С6

84. Общая схема гликолиза

Общая
схема
гликолиз
а
I
подготовительная
II
гликолитическая
оксидоредукция
ПИРУВАТ
(2 мол)

85. Глицерофосфатный челночный механизм

цитоплазма
СН 2ОН
С
НАДН + Н+
НАД+
СН OH
O
СН 2О
Р
дегидрогеназа
диоксиацетонфосфат
дегидрогеназа
Р
диоксиацетонфосфат
матрикс
Р
СН 2ОН
O
СН 2О
СН 2О
фосфоглицерол
СН 2ОН
С
СН 2ОН
ФАДН2
ФАД
СН OH
СН 2О
Р
фосфоглицерол

86. Малат-аспартатный челночный механизм

цитоплазма
НАДН + Н+
оксалоацетат
НАД+
малат
аспартат
аспартат
оксалоацетат
матрикс
НАДН + Н+
малат
НАД+

87.

Окислительное
декарбоксилирование
пирувата
Е1 Е2 Е3
CH3
2С O
ТПФ, ЛК, НАД,
ФАД, КоА
2 СО2
пируватCOOH дегидрогеназный
комплекс
пируват
O
+
2 НАДН + Н + 2 H3C С
~SКоА
ацетил-КоА

88.

Схема
превращений
в ЦТК

89. Энергетический баланс дихотомического распада глюкозы

Этапы аэробного
окисления глюкозы
Количество
синтезированного АТФ
1. Аэробный гликолиз
Глюкоза → 2 пируват
8 АТФ (2АТФ за счёт
2. Окислительное
декарбоксилирование ПВК
2 (пируват → ацетил-КоА)
2НАДН+Н+ = 2х3 АТФ =
6 АТФ
3. Цитратный цикл
2 (ацетил-КоА → СО2 + Н2О)
2х12 АТФ = 24 АТФ
Суммарный выход АТФ при
окислении 1 молекулы глюкозы
38 АТФ
субстратного фосфорилирования
+ 2НАДН+Н+ = 2х3 АТФ = 6 АТФ)

90. Биологическая роль аэробного дихотомического окисления глюкозы:

основной путь получения
энергии (60% у взрослого
человека, до 40% у ребёнка)

91. Пентозофосфатный путь окисления глюкозы

С6
С1
СО2
С5
пентоза

92. Стадии пентозофосфатного пути окисления глюкозы

1. окислительная стадия
2. неокислительная стадия

93. Окислительная стадия пентозофосфатного пути

94. Пентозофосфатный цикл

95. Энергетика пентозофосфатного цикла

12 НАДФН+Н+
12 НАДФ+
6 Gl-6-P
12 НАДФН+Н+
6 рибозо-5-P + 6 СО2
12х3АТФ = 36 АТФ

96. Регуляция пентозофосфатного пути

• Состояние депо энергии
АДФ + НР активатор
АТФ ингибитор
• Состояние коферментов
НАДФ+ активатор
НАДФН+Н+ ингибитор
• Гормональная регуляция:
инсулин – активатор

97. Биологическая роль пентозофосфатного пути

Биологическая роль
пентозофосфатного
пути (для
Единственный
способ получения пентоз
синтеза нуклеотидов);
• Путь получения восстановленного НАДФН+Н+
для:
синтеза липидов (жирных кислот,
холестерина и т.д. – восстановительных
синтезов),
обезвреживания токсических веществ;
• Короткий, выгодный путь получения
энергии;
• Осуществление взаимосвязи между
энергетическим и пластическим обменами,

98. Метаболизм фруктозы

фруктоза
АТФ
фруктокиназа
АДФ
фруктозо-1-фосфат
альдолаза (1)
диоксиацетонфосфат
альдолаза (2)
фруктозо-1,6дифосфат
глицеральдегид
АТФ
киназа
АДФ
глицеральдегид3-фосфат
глюкоза

99. Метаболизм галактозы

галактоза
галактокиназа
АТФ
АДФ
галактозо-1-фосфат
трансфераза
УТФ
РРi
синтез:
УДФГК
гликоген
цереброзиды
гликозаминогликаны
УДФ-галактоза
эпимераза
УДФ-глюкоза
трансфераза
РРi
УТФ
глюкозо-1-фосфат
глюкомутаза
глюкозо-6-фосфат
фосфатаза
Н2О
Рi
глюкоза
синтез:
лактоза
цереброзиды
гликозаминогликаны

100. Нарушение обмена дисахаридов

лактоза
лактаза
Gl
сахароза
Gal
мальтоза
сахараза
Gl
Fr
мальтаза
Gl
Gl

101. Строение гликогена

α-1→6 связи
α-1→4 связи

102. Синтез гликогена (гликогенез)

СН 2ОН
АТФ
СН 2О
АДФ
O
OH
HO
OH
OH
глюкоза
Р
СН 2ОH
O
гексокиназа
OH
HO
O
OH фосфоглюко- HO
мутаза
OH
глюкозо-6-фосфат
OH
O
OH
Р
глюкозо-1-фосфат

103. Глюкозо-1-фосфат + УТФ УДФ-глюкоза + РРi

Глюкозо-1-фосфат + УТФ
глюкоза + РРi
УДФ-
O
СН2ОН
O H
OH
O
O
P
HO
OH
HN
OH
Уридиндифосфоглюкоза
(УДФ-глюкоза)
O
O
P
OH
O
N
O СН2
O
OH OH

104.

СН 2О H
O
O УДФ
O
O
+
OH
HO
СН 2ОН
СН 2ОН
OH
OH
O
OH
O
HO
OH
HO
УДФ-глюкоза
УДФ
гликоген (n остатков)
СН 2О H
СН 2ОН
СН 2ОН
O
гликогенсинтаза
R
O
O
OH
OH
OH
O
O
HO
HO
OH
гликоген (n+1 остатков)
O
OH
R

105.

Схема синтеза гликогена
(гликогенез)

106. Схема распада гликогена

γ-амилаза
фосфатаза

107. Распад гликогена в мышцах (гликогенолиз)

(С6Н10О5)n + Н3РО4
гликогенфосфорилаза
(С6Н10О5)n-1 + глюкоза-1-фосфат
мутаза
глюкоза-6-фосфат
3 АТФ
ГЛИКОЛИЗ
2 лактат

108. Регуляция метаболизма гликогена

Регуляция метаболизма
• Глюкагон игликогена
адреналин
стимулируют распад гликогена
– активирует фосфорилазу
– ингибирует синтетазу
• Инсулин стимулирует синтез
гликогена (гликогенез)
– активирует синтетазу
– ингибирует фосфорилазу

109. Нарушения обмена гликогена

Тип
Нарушения обмена
гликогена
Болезнь
Дефект фермента
Структурные и клинические
проявления дефекта
I
Гирке
Глюкозо-6фосфатаза
Тяжелая постабсорбционная
гипогликемия, лактоацидоз,
гиперлипидемия
II
Помпе
Лизосомальная
α-гликозидаза
Гранулы гликогена в
лизосомах
III
Кори
Олигосахаридтрансфераза
Изменение структуры
гликогена, гипогликемия
IV
Андерсена
«Ветвящий»
фермент
Изменение структуры
гликогена
V
Мак-Ардла
Мышечная
фосфорилаза
Отложение гликогена в
мышцах, судороги при
мышечной нагрузке
VI
Херса
Фосфорилаза
печени
Гипогликемия

110. Важнейшие гликозаминогликаны тканей человека

Гликозаминогликаны
Дисахаридная единица
Наличие
НSO3-
гексуроновая кислота
гексозамин
Гиалуроновая
кислота
глюкуроновая
N-ацетилглюкозамин
─
Хондроитин-4сульфат
глюкуроновая
N-ацетилгалактозамин
+
Дерматансульфаты
идуроновая или
глюкуроновая
N-ацетилгалактозамин
+
Кератансульфаты
галактоза
N-ацетилглюкозамин
+
Гепарансульфаты
идуроновая или
глюкуроновая
N-ацетилглюкозамин
+
Гепарин
идуроновая или
глюкуроновая
N-ацетилглюкозамин
+

111. Строение гликозаминогликанов

Гиалуроновая кислота
n
Дерматансульфат
n

112. Строение гликозаминогликанов

Хондроитин-4-сульфат
n
Хондроитин-6-сульфат
n

113. Строение протеогликана

Гиалуроновая кислота
Коровый белок

114. Гликопротеины

белок