УГЛЕВОДЫ Номенклатура и классификация Моносахариды Изомерия и стереохимия

УГЛЕВОДЫ Номенклатура и классификация Моносахариды Изомерия и стереохимия Химические свойства и реакции Олигосахариды Полисахариды Производные (С Н 2 О)n

Номенклатура Олигосахариды х 2 -10 Моносахариды (простые) х 1 Полисахариды (гликаны) >10 Гликоконъюгаты: Альдозы Дисахариды Гомо- Гликопротеиды Кетозы Более крупные олигосахариды Гетеро- Протеогликаны ✓ Триозы глицеральдегид дигидроксиацетон ✓ Тетрозы ✓ Пентозы рибоза ✓ Гексозы глюкоза фруктоза сахароза лактоза мальтоза изомальтоза трегалоза ✓ Резервные крахмал гликоген декстран ✓ Структурные целлюлоза агароза хитин гликозаминогликаны Гликолипиды Липополисахариды

Моносахариды Альдозы Ряды альдоз и кетоз Кетозы

Стереоизомерия Энантиомеры – зеркальные отражения Диастереомеры – не зеркальные, но разные при ≥ 1 хиральном центре Эпимеры – разные только по 1 центру + и - означают оптическое вращение, но не имеют отношения к D и L

Аномерия

Изображения и конформации Haworth Fisher Кресло Ванна

Реакции моносахаридов

Дисахариды ✓Редуцирующий и нередуцирующий концы; α и β аномерные формы Glc-(α 1 -1α)-Glc (трегалоза) – криопротектор ?

Резервные полисахариды (гликаны) Крахмал = Амилоза Амилопектин +

Резервные полисахариды (гликаны) Гликоген

Структурные полисахариды Растения Насекомые Бурые водоросли

Целлюлоза

Гликозаминогликаны

Пептидогликаны грамм(+) стафилококков

Гликопротеины

Протеогликаны

Протеогликаны Гликокаликс

ЛПС внешней мембраны грамм(-) бактерий

ПИЩЕВАРЕНИЕ УГЛЕВОДОВ Отделы ЖКТ Ферменты Субстраты и расщепляемые связи Транспорт моносахаридов через мембраны Нарушения пищеварения углеводов

Переваривание углеводов ü α-амилаза слюны ü Панкреатическая α-амилаза ü Сахаразо-изомальтазный комплекс ü Гликоамилазный комплекс ü Лактаза, трегалаза

Панкреатическая амилаза Гидролизует α-1, 4 -гликозидные связи, не гидролизует α-1, 6 и β-1, 4

Сахаразо-изомальтазный комплекс сахараза изомальтаза линкер трансмембранный цитоплазматический Гидролизует сахарозу (α-1, 2) и изомальтозу (α-1, 6), меньше мальтозу (α-1, 4), не гидролизует β-1, 4

Остальные ферменты Гликоамилазный комплекс (олиго)мальтоза (α-1, 4) Лактаза лактоза (β-1, 4) Трегалаза трегалоза (α-1, 1)

Транспорт моносахаридов через кишечный эпителий

Транспорт глюкозы из крови в клетки ü ü ü GLUT-1 – транспорт глюкозы в мозг GLUT-2 – основной GLUT-3 – нервная ткань, больше сродство чем у GLUT-1 GLUT-4 – мышцы, адипоциты, зависит от инсулина GLUT-5 – тонкий кишечник, наименее изучен

Механизм регуляции GLUT-4 инсулином

Нарушения переваривания углеводов

СУДЬБА ГЛЮКОЗЫ В КЛЕТКЕ Пути использования Фосфорилирование глюкозы Гексокиназа и глюкокиназа

Основные пути утилизации глюкозы в клетке запасание (гликоген, . . . жиры) структура (гликозилирование) энергия (гликолиз) анаболизм (пентозный путь)

Фосфорилирование глюкозы

Гексокиназа и глюкокиназа Ткани : Гексокиназа Печень : глюкоза Глюкокиназа + Гексокиназа + Глюкозо-6 фосфатаза

ОБМЕН ГЛИКОГЕНА Биологический смысл Реакции и ферменты Энергетический баланс Регуляция

Биомедицинское значение Поддержание уровня глюкозы в крови Абсорбтивный период Постабсорбтивный период Локализация в организме Печень 40 % Мышцы 60 % Ключевые участники Глюкозо-6 -фосфат Ветвящие ферменты Гексокиназа Глюкокиназа Гликогенсинтаза Гликогенфосфорилаза

Строение гликогена Значение разветвленной структуры

Синтез гликогена гексокиназа глюкокиназа фосфоглюкомутаза УДФ-глюкопирофосфорилаза гликогенсинтаза ветвление

Распад гликогена DG 0’ = +3, 1 к. Дж/моль 100 Фi : 1 глюкозо-1 -Ф DG = -6 к. Дж/моль (Глюкоза)n + H 3 PO 4 (Глюкоза)n-1 + Глю-6 -Ф

Особенности ветвления и деветвления Для дебранчинга нужны две ферментативных активности

Нарушения обмена гликогена (гликогенозы)

Регуляция обмена гликогена: физиологическая роль

Активность гликогенсинтазы и фосфорилазы регулируется фосфорилированием синтез распад

Печень - первичная мишень действия инсулина Из поджелудочной железы инсулин сначала попадает в печень через портальную вену, и лишь затем в системную циркуляцию

Механизм действия инсулина на общий метаболизм

Глобальная регуляция метаболизма Insulin Growth factors Ins. R RTK PI 3 K NOX Akt IRS 1/2 H 2 O 2 TSC 2 S 6 K 1 m. TORC 1 Autophagy m. TORC 2 Feedback enables: - Insulin resistance - Cell migration - Proliferation Glucose PPARγ SREBP Adipo/Lipido genesis 4 E-BP Proteins (growth)

Механизм регуляции синтеза гликогена инсулином синтез распад

Регуляция распада гликогена через b 2 -рецепторы синтез распад

Действие адреналина через a 1 -рецепторы синтез распад

Связывание Са 2+ имитирует фосфорилирование синтез гликогена

ГЛИКОЛИЗ Биологический смысл Реакции первой и второй фаз Сопряженность реакций Анаэробный и аэробный Другие углеводные субстраты Энергетический баланс Регуляция

Центральное место в метаболизме

Общий вид и 2 фазы

Первая фаза гликолиза ( ΔG’ ~ 0 )

Вторая фаза гликолиза

ГАФД : кислотно-основный и ковалентный катализ

Энергетика гликолиза и сопряженные реакции Δ=-120 k. J/mol (~4 АТФ)

Реальная цена гликолиза – КПД ≥ 60%

Аэробный и анаэробный гликолиз

Молочнокислое и спиртовое брожение

Malt

Эритроциты и 2, 3 -бисфосфоглицератный цикл

Регуляция гликолиза 1. За счет концентраций субстрата/продукта 2. Метаболитами (АТФ-АДФ, НАДН-НАД+) 3. Ковалентная модификация (гормональная) 4. Аллостерически (2, 6 -БФГ) 5. Изоформный состав (гексокиназа, ЛДГ)

ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ Биологический смысл Последовательность превращений Энергетический баланс Регуляция

Биомедицинское значение Поддержание уровня глюкозы в крови Абсорбтивный период Постабсорбтивный период Голодание Локализация в организме Печень 90 % Почки 10 % Субстраты глюконеогенеза Пируват Глицерин Интермедиаты ЦТК Ацетил-Ко. А Лактат Аминокислоты аланин лизин лейцин Жиры

Цикл Кори

Глюкозо-аланиновый цикл

Пагубные последствия пребывания в Mac. Donald’s Синтез жиров из углеводов Синтез глюкозы из ацетил-Ко. А возможен только теоретически через цикл Кребса, но этого в клетках не происходит

Субстраты глюконеогенеза

Синтез глюкозы из глицерина жировая ткань из триглицеридов только в печени и почках глюкоза

Глюконеогенез - частичное обращение гликолиза субстратные циклы (метаболический контроль)

Уникальные реакции глюконеогенеза - III цикл 2 макроэргических эквивалента + внутриклеточная локализация и необходимость транспорта Ац-Ко. А

Альтернативные пути образования ФЕП

Уникальные реакции глюконеогенеза - I и II циклы

Энергетический баланс глюконеогенеза Сопряжение с гидролизом АТФ/ГТФ “тянет” глюконеогенез: DG 0’ = -37, 7 к. Дж/моль (DG = -15, 6) Простое обращение гликолиза энергетически невозможно: DG 0’ = 74, 0 к. Дж/моль

Регуляция глюконеогенеза субстратная регуляция аллостерическая регуляция I субстратная регуляция II аллостерическая регуляция III аллостерическая регуляция

Регуляция пируваткиназы в III цикле

Регуляция II cубстратного (“футильного”) цикла PFK-1 FBPase-1

ПЕНТОЗНЫЙ ПУТЬ Биологический смысл Последовательность превращений Энергетический баланс Регуляция

Суммарная схема ПФП

Биологическое значение и энергетический баланс Образование восстановительных эквивалентов НАДФН+Н+ Образование рибозы для синтеза пуриновых и перимидиновых оснований Синтез нуклеотидов Метаболизм других моносахаридов Структурные компоненты клетки 6 Глюкозо-6 -фосфат + 12 НАДФ + 12 H 2 O 5 Глюкозо-6 -фосфат + 12 НАДФH + 12 H+ + 6 CO 2

Метаболические превращения

Окислительный этап

Неокислительный этап (пентозный цикл)

Неокислителный этап (пентозный цикл) С 7 С 6 С 6 С 5 С 3 С 4 С 5 С 3

ОБЩИЙ ПУТЬ КАТАБОЛИЗМА l 3 стадии катаболизма l Биологический смысл ОПК l ОПК: ЦТК + ДЦ + ОФ

3 стадии и место ОПК в общем катаболизме Стадия 1. Общие блоки Стадия 2. Общий продукт Ацетил-Ко. А Стадия 3. Общий Путь Катаболизма (ОПК) Конечные продукты АТФ НАДН

ЦТК есть первая стадия ОПК ЦТК ДЦ ОФ

ОБРАЗОВАНИЕ Ацетил-Ко. А ИЗ ПИРУВАТА Транспорт пирувата l Устройство и механизм ПДК l Коферменты l Сопряженные реакции l Стехиометрия l Регуляция l

Перенос пирувата в митохондрии За счет электрохимического градиента

Механизм окислительного декарбоксилирования пирувата

Механизм действия тиаминового кофермента Тиазоловое кольцо

Липоевая кислота и кофермент А Пантотеновая к-та Фосфоаденозин-дифосфат β-меркаптоэтиламин Липоамид Ацетил-Кофермент-А (Ац-Ко. А)

Тунелирование субстрата Интермедиаты «передаются с рук на руки» и никогда не покидают поверхности ферментов

Электронная микроскопия ПДК Электронная микрофотография 3 D-image reconstruction

Неравная стехиометрия и состав ПДК

Регуляция пируватдегидрогеназы Регуляция метаболитами: субстраты активируют (пируват, НАД+, АТФ), продукты ингибируют (Ац-Ко. А, НАДН). Регуляция идет через киназу ПДК

ЦИКЛ КРЕБСА (ЦТК) l История открытия l Последовательность событий l Энергетика l Термодинамика l Ключевые механизмы l Регуляция

История открытия 1932. Hans Krebs. 1935. Albert Szent-Gyorgyi. Только некоторые малые органические кислоты окисляются экстрактами почек и печени. Добавление любой из трех дикарбоновых кислот к экстрактам мышц повышало потребление кислорода существенно больше, чем требовалось только для их окисления. Оксалоацетат образуется из пирувата. сукцинат малат фумарат цитрат ацетат Цитрат > изоцитрат > aкетоглутарат Было известно: a -КГ > сукцинат Лимитирующие вещества. Окисление сукцината скорость-лимитирующая стадия (ингибирование малонатом) оксалоацетат пируват Karl Martius Franz Knoop. сукцинат фумарат малат Последовательно сть реакций определилась

История открытия 1937. Hans Krebs. Экстракты мышц образуют цитрат при добавлении оксалоацетата и либо пирувата, либо ацетата. Кребс уже знал о метаболических циклах - в 1932 он открыл цикл мочевины Круг замкнулся

Последовательность реакций и энергетика

Еще раз про энергетический баланс

Асимметрия цикла Вводимая карбоксильная группа удаляется на втором цикле

Термодинамика цикла -31, 4 +6, 3 +29, 7 -8, 4 сопряжение Величины DG 0’, к. Дж/моль самая медленная +3, 8 -30, 1 0 -3, 3

Механизм цитратсинтазной реакции Последовательная упорядоченная двусубстратная реакция (ordered single displacement) 1 2

Аконитазная реакция ΔG' +6, 3 Аконитат гидратаза цистеин Fe. S кластер изоцитрат -8, 4

Первое окисление: изоцитрат-ДГ Окислительное декарбоксилирование Две формы фермента: НАД+-зависимый – в матриксе митохондрий и НАДФ+-зависимый – в матриксе и цитозоле

Второе окисление: α-кетоглутарат-ДГ ΔG’= -30, 1 Самая «движущая» реакция

α-кетоглутарат-ДГ – аналог ПДК Механизм практически идентичен ПДК: комплекс из 3 ферментов и тех же 5 коферментов НО: первичная структура белков отлична

Механизм сукцинаттиокиназной реакции

"Зацикливающие" реакции Конкурентный ингибитор Крайне стереоспецифичный фермент, аналоги не узнаются

Регуляция ЦТК Регуляция метаболитами: преимущественно за счет АТФ и НАДН - продуктов ЦТК

Другие функции ЦТК l Анаболические функции l Анаплеротические реакции

Анаболическая функция ЦТК

Биосинтез у анаэробов У них нет α-КГ-ДГ

Анаплеротические реакции Восполнение компонентов цикла и компенсация оксалоацетата

Пируваткарбоксилаза, биотин и оксалоацетат

Общая стратегия для решения сходных задач Ацетат СО 2 Ацил

Челночный механизм транспорта ацетил-Ко. А Экспорт цитрата из митохондрий и возврат малата и пирувата