ГОУ ВПО УГМА Росздрава Кафедра биохимии ЛЕКЦИЯ

ГОУ ВПО УГМА Росздрава Кафедра биохимии ЛЕКЦИЯ « Интеграция обмена веществ в норме и патологии» ЕКАТЕРИНБУРГ 2012

экзаменационные вопросы по теме лекции • Пути обмена углеводов (схема), уровни и механизмы регуляции и интеграции с другими видами обмена • Механизмы интеграции гликолиза с обменом белков, жиров, углеводов, циклом Кребса и окислительным фосфорилированием. • Белая жировая ткань: особенности метаболизма, функции, роль в интеграции обмена в-в • Уровни и механизмы интеграции липидного, углеводного и белкового обмена. Механизм липогенеза при избыточном поступлении углеводов с пищей, последствия.

• Роль печени в интеграции липидного, углеводного и белкового обменов, значение • Механизмы и реакции взаимосвязи ЦТК с гликолизом и окислительным фосфорилированием, механизмы интеграции с обменом белков, жиров, углеводов, значение. • Регуляция КОС: бикарбонатная и гемоглобиновая буферные системы крови, их взаимосвязь и механизм действия • Окислительное фосфорилирование: механизмы сопряжения и разобщения, дыхательный контроль, механизмы взаимосвязи с обменом белков, жиров и углеводов; возможные причины и механизмы нарушений окислительного фосфорилирования, последствия • Биосинтез мочевины: схема взаимосвязи с обменом аминокислот, циклом Кребса и окислительным фосфорилированием.

Примеры тестовых контрольных вопросов по теме • Из приведённого перечня выберите вещество, которое одновременно является метаболитом гликолиза и обмена жиров: 1 - ПВК 2 - СО 2 и Н 2 О 3 - ацетил-SКо. А 4 ФДА 5 - 3 ФГК • Из приведенного перечня выберите основные биохимические процессы метаболиты, которых могут использоваться организмом для биосинтеза заменимых аминокислот: (2 ответа) 1 – гликолиз 2 – окисление жирных кислот 3 – цикл Кребса 4 – цикл мочевины 5 – распад пуриновых нуклеотидов

Уровни регуляции обмена веществ - Центральный -Гормональный - Органный - Клеточный - Субклеточный - Молекулярный

Механизмы интеграции Обмена в-в

• В процессе эволюции возникли предпосылки для интеграции и дифференциации обмена веществ (математический, философский и медико-биологический смысл терминов). • Дезинтерация - …патология • Дедифференциация - ? Эти предпосылки можно разделить на • динамические • структурные • генетические

1. Динамические предпосылки из множества теоретически возможных химических реакций эволюция отобрала относительно небольшое количество типовых реакций метаболизма, имеющих общие ферменты, коферменты и промежуточные метаболиты.

2. Структурные предпосылки Дискретность цитоплазмы, разделение ее на множество дифференцированных и специализированных структурных элементов, осуществляющих различные процессы обмена веществ.

3. Генетические предпосылки - структурные макромолекулы клетки и их энзимные системы постоянно воспроизводятся и поддерживаются под контролем генетического аппарата (белковые, нуклеопротеидные, липопротеидные и др. ).

1. Динамические предпосылки интеграции метаболизма • Универсальные немногочисленные процессы метаболизма (ЦТК, гликолиз, пентозофосфатный путь, окислительное фосфорилирование, бета-окисление) • Метаболические шунты (гексозомонофосфатный, глюкозолактатный, глюкозо-аланиновый), образующие «короткие замыкания» этих циклов • Общие коэнзимы и метаболиты, связывающие между собой эти циклы.

ПФШунт (гликолиза) восстан-е глутатиона гл Микросомальное ок-е НАДФН 2 биосинтез ХС биосинтез глу, гл-6 -ф биосинтез ЖК пентозофосфаты 3 ФГА нуклеотиды АТФ Ко. Ф ц. АМФ ПВК ГТФ НАД+ ц. ГМФ ЦТФ НАДН 2 УТФ ФАДН 2 Ац. Ко. А лактат

СУДЬБА УГЛЕРОДНОГО СКЕЛЕТА ХС, кетоновые глюкоза. АМИНОКИСЛОТ тела Ала, гли, сер, тре, цис ПВ К Жирные к-ты Фен, лей, три Ацетил Асп, асм Оксало Ко. А ацетат Арг, гис, про, -кето глн, глу ЦТК глу Ацетоац етил. Ко. А Фен, лиз, иле, лей, тир Иле, вал, мет Глюкогенные АК CO 2 + H 2 O Сукцинил Ко. А ЭНЕРГИЯ Кетогенные АК

• Ограниченное число типов обменных процессов (катаболизм, анаболизм : белковый, липидный, углеводный) • Наличие узлов связи и прямого взаимодействия между этими процессами (Ас-Ко. А, реципрокные взаимоотношения м -ду гликолизом и гликонеогенезом). • «Мосты» между разными процессами, сокращающие и без того небольшое число различных путей обмена.

аллостерический механизм регуляции на клеточном уровне + АМФ, фруктозо-2, 6 дф, фруктозо-1, 6 дф - АТФ, НАДН 2, цитрат, жир. кислоты, аланин, Aц-Ко. А гликолиз глюконеогенез + ац-Ко. А - АМФ, фруктозо-2, 6 дф

NH 3 CO 2 малат 3 АТФ цтк Орнитиновый цикл аспаратат фумарат МОЧЕВИНА COOH H 2 O CH CH COOH НАДН 2 CHOH фумараза COOH ФУМАРАТ CH 2 COOH МАЛАТ оксалоацетат ГЛУ COOH C=O МАЛАТ ДГ кетоглутарат ГЛУ COOH - КЕТОГЛУ CHNH 2 Ас. АТ CH 2 COOH оксалоацетат АСП

Взаимосвязь цикла Кребса и цикла мочевины NH 3 цикл мочевины СО 2 АТФ фумарат цикл Кребса малат оксалоацетат аспартат фумарат

Цикл Кори и аланина – межорганная интеграция обмена

• Организация энергетического обмена (цикл Кребса – дыхательная цепь) обеспечивает участие минимального количества ферментов, коэнзимов и субстратов в единичных метаболических циклах. • Количество субстратов на путях постепенного освобождения энергии последовательно убывает.

Основные этапы БО

Малат Изоцитрат Сукцинат АДФ + Фн О 2 α-Кетоглутарат н 2 о АТФ

Циклический и полуциклический характер типовых процессов обмена. - Благодаря этой особенности количество требующихся ферментов становится минимальным (ЦТК, ПФП).

Работа креатинфосфатного челнокапример циклического процесса КФК Кф митохондр. АТФ КФК миофибр. АДФ АТФ АДФ К АДФ АТФ/АДФ транслоказа АТФ Кф АТФаза К Кф АТФ

Н 2 О Цикл лимонной кислоты (цикл Кребса) Н 2 О Цис-аконитат Цитрат 3 2 Изоцитрат Н 2 О 4 1 HS-Ko. A НАД+ ИДГ НАДН 2 Ацетил-Ко. А Оксалоацетат СО 2 НАДН 2 -кетоглутарат 12 АТФ НАД+ МДГ НАД+ Малат 5 НАДН 2 НS-Ko. A 8 Н 2 О CO 2 Фумарат Е-ФАДН 2 Е-ФАД Сукцинил - Ко. А СДГ HS-Ko. A 7 6 Сукцинат H 3 PO 4 + ГДФ ГТФ

• Вещества, участвующие в каждом цикле, не исчезают, превращаясь в продукты реакции, постоянно обновляются, поддерживая непрерывность кругового процесса. • Участники цикла одновременно являются субстратами окисления и катализаторами этого процесса.

• Метаболические пути (циклы) имеют общие свободно диссоциирующие полифункциональные коэнзимы: НАД+ НАДН 2, НАДФ+ - НАДФН 2, АДФ - АТФ, ФАД+ ФАДН 2, HS-Ко. А - Ацетил Ко. А. • Эти коэнзимы, подобно челночному устройству, связывает циклы между собой и приводят к основанному на конкуренции взаимодействию за коэнзимы. • Связь между циклами (путями) осуществляется через общие метаболиты.

Роль печени в обмене витаминов Каротин витамин А В 6 ПФ В 1 ТДФ В 2 ФАД, ФМН рибофлавин-5’-фосфат D 3 25(ОН)D 3

Виды интеграции • Между видами обмена (углеводный, липидный, белковый) • Между направлениями внутри обмена – пентозофосфатный цикл и гликолиз, переаминирование и дезаминирование и т. д. ). • ЦТК объединяет все виды обмена т. к. он финализирует окисление глюкозы жирных кислот, аминокислот

Попарная интеграция разных видов обмена веществ • • • Углеводный – липидный Липидный – углеводный Углеводный – белковый Белковый – углеводный Белковый – липидный Липидный - белковый

Интеграция разных видов обмена веществ (примеры)

Углеводы липиды полисахариды моносахариды Диоксиацетонфосфат ацетил Ко. А - жирные кислоты - стерины глицерол-Ф жиры, Фосфолипиды

Липиды углеводы ФЛ, ТГ жирные кислоты глюкоза глицерол – Ф ДАФ глюконеогенез глюкоза

Углеводы -кетоглутарат аминокислоты глутамат оксалоацетат пролин аспарагиновая кислота ПВК аланин ГАФ серин, глицин гексозы сукцинил-Ко. А гем пентозы нуклеотид коферменты НАД, ФАД, Ко. А

Аминокислоты аланин ПВК аспарагиновая кислота углеводы глюкоза малат глюко за Щавел евоукс усная К-та ПВК Все аминокислоты, кроме лейцина, изолейцина.

Аминокислоты АЛА ЦИС ГЛИ СЕР ТРЕ АСП ПВК ацетил-Ко. А - жирные кислоты - холестерин липиды ГАФ глицерол-Ф ТГ, ФЛ

Липиды аминокислоты (заменимые) Липиды жирные кислоты глицерин ГАФ ПВК серин аланин глицин

СПб 2002 42

Интеграция на уровне общих молекул (примеры)

Роль ацетил-Ко. А в метаболизме моносахариды жирные кислоты аминокислоты глицерин СН 3 СО~S-Ko. A синтез жирных синтез кислот кетоновых тел синтез стероидов: -холестерин синтез -витамин D 3 АЦХ -половые гормоны -кортикостероиды -желчные кислоты

Интеграция на уровне СО 2 - Моносахариды - Жирные кислоты - Глицерин - Аминокислоты - Пиримидиновые нуклеотиды СО 2 синтез жирных синтез кислот мочевины нуклеотидов глюконеогенез

Интеграция на уровне Н 3 РО 4 ЭНДОГЕННЫЕ ЭФИРЫ Н 3 РО 4 ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ РАСПАД ГЛИКОГЕНА

Интеграция на уровне Н НАДФ НАД-Н 2 НАДФ-Н 2 В реакциях синтеза и восстановления: - синтез холестерина; - синтез жирных кислот; - синтез глицерина; - синтез аминокислот; - синтез нуклеотидов.

Интеграция на уровне NН 3 АМИНОКИСЛОТЫ НУКЛЕОТИДЫ АМИНОГЕКСОЗЫ АМИНОСПИРТЫ NН 3 АМИНЫ

Интеграция на уровне Н 2 О ТКАНЕВОЕ ДЫХАНИЕ + РЕАКЦИИ ДЕГИДРАТАЦИИ Н 2 О РЕАКЦИИ ГИДРОЛИЗА РЕАКЦИИ ГИДРАТАЦИИ -цикл Кребса -синтез мочевины

2. Структурные предпосылки интеграции обмена веществ • Мембраны разделяют объем клетки субобъемы – «компартменты» • «Компартменты» тоже дискретны, т. е. разделяются в свою очередь на разнокачественные сегменты. • В субобъемах и мембранах локализованы ферментные системы (мультиэнзимные комплексы) под действием которых протекают цепи химических реакций обмена веществ.

• Взаимодействие между цепями ферментативных реакций и компонентами ограничены проницаемостью мембран. • Реакционно-способные вещества могут находиться в непосредственной близости и не взаимодействовать из-за непроницаемости разделяющей их мембраны толщиной 30 - 40 Å (3 – 4 нм). • Мембраны обеспечивают регуляцию и интеграцию метаболизма, раздельное хранение цитоплазматического, митохондриального и ядерного НАД+НАДН 2

Глицерофосфатный челночный механизм (печень) цитозоль НАД митохондрии глицерол – 3 – Ф ДГ НАД-Н 2 ДАФ ФАД-Н 2 дыхательная цепь 3 АТФ 2 АТФ

Цитратный челночный механизм цитозоль митохондрии Углеводы глицерин ПВК цитрат ацетил. Ко. А синтез Жирных К-т оксалоацетат ацетил. Ко. А оксалоацетат

Челночный механизм в глюконеогенезе митохондрии ПВК АТФ цитозоль ПВК АЛТ «СО 2» оксалоацетат мдг НАД-Н 2 НАД малат АЛА Углеводы малат мдг оксало ацетат «СО 2» глюкоза ГТФ ФЕП

Малатный челночный механизм (сердечная мышца) цитозоль НАД-Н 2 АСТ ГЛУ малат МДГ оксалоацетат a-кетоглутарат АСП митохондрии малат НАД МДГ оксалоацетат a-кетоглутарат АСП НАД-Н 2 АСТ ГЛУ

СПб 2002 56

• Проницаемость биомембран представляет собой энзиматический процесс и обусловлена активностью мембранных ферментов. • При переходе клетки из одного функционального состояния в другое проницаемость претерпевает изменения. • Ориентированное положение ферментов, закрепленных в мембране, обуславливает направленность ферментативных реакций (векторный характер).

• Химическая интеграция совершенствуется благодаря увеличению дискретности цитоплазмы: чем тоньше дифференцирована и специализирована структура клетки, тем больше в ней предпосылок для химической интеграции. • Благодаря интеграции обмена веществ, клетка способна к саморегулированию и поддержанию структуры и функций в условиях изменяющейся окружающей среды.

• Плазматическая мембрана - пульт управления метаболизмом в клетке • Наличие в мембране рецепторов - их количество, чувствительность, специфичность белков-переносчиков, ферментов определяет специфичность ответа на внешнее воздействие. • Мембраны представляют собой переходную ступень от молекулярного уровня к надмолекулярному, где впервые возникает высокоспецифичная форма организации обменных процессов

• B мембране локализованы основные циклы клеточного обмена: тканевое дыхание, окислительное фосфорилирование, биосинтез нуклеиновых кислот, белков, стероидов • Биомембраны- это простейшие формы биологической организации, на которых базируется единство каталитических процессов метаболизма и матричных процессов биосинтеза и репродукции.

• Интегративные функции мембран осуществляются благодаря наличию в них надмолекулярных систем: • 1. система транспорта • 2. системы частичной аутопродукции • Они сопряжены энергетически. • Уровень макроэргов (АТФ, ГТФ) и регулирует и интегрирует метаболизм.

3. Генетические предпосылки интеграции метаболизма • Воспроизведение белков и надмолекулярных структур находится под генетическим контролем. • Этот процесс обеспечивает воспроизведение одних и тех же белковых молекул в течении всей индивидуальной жизни • Этим достигается преемственность в реализации функциональной деятельности органов и систем.

• Интеграция обмена возникает там, где имеется упорядоченная надмолекулярная структура, сближающая и закрепляющая в пространстве определенные группы ферментов. • Различные надмолекулярные комплексы, встроенные в клеточные мембраны и связи между ними составляют структурные и функциональные основы интеграции метаболизма.

Дезинтеграция обмена в-в • Схема на доске СПб 2002 64