29.Аеробне та анаеробне окиснення глюкози...

Основним моносахаридом, що в результаті катаболічних реакцій окислення до кінцевих простих продуктів утворює найбільшу кількість АТФ, є D-глюкоза, основним джерелом якої в організмі людини та тварин є крохмаль рослинних продуктів харчування. Інші прості вуглеводи, що надходять до організму в складі їжі (фруктоза — як компонент дисахариду сахарози, галактоза — як компонент лактози тощо), підлягають метаболічним перетворенням переважно після їх трансформації у фосфорні ефіри глюкози.

Основні шляхи внутрішньоклітинного катаболізму глюкози: 1,53- аеробне окислення, в результаті якого глюкоза розщеплюється до двоокису вуглецю та води; 1,54- гліколітичний шлях розщеплення (гліколіз), в результаті якого глюкоза утворює проміжні продукти катаболізму (піровиноградну або молочну кислоту). Глюкоза, яка всмоктується в кров у кількості, що перевищує безпосередні енергетичні потреби організму, відкладається про запас у вигляді глікогену (“тваринного крохмалю”) або використовується для синтезу триацилгліцеролів жирової тканини.

31. АЕРОБНЕ ОКИСЛЕННЯ ГЛЮКОЗИ В умовах нормального клітинного дихання аеробне окислення є переважаючим для більшості тканин тваринних організмів і найбільш ефективним з точки зору енергетичної цінності шляхом метаболізму глюкози. Аеробне окислення глюкози до двоокису вуглецю та води відповідає такому сумарному рівнянню: с6н12о6 + 6 о2 —► 6 со2 + 6 н2о Складний багатоступеневий процес аеробного окислення глюкози поділяється на такі етапи: 1,55- Розщеплення глюкози до піровиноградної кислоти. Продуктом цього гліколітичного етапу розщеплення глюкози є піруват, а також дві молекули відновленого НАД+ і дві молекули АТФ: с6н12о6 + 2 НАД+ + 2 АДФ + 2 ФН ► 2 СДД + 2 НАДН + 2 Н+ + 2 АТФ Ферментативні реакції утворення з глюкози пірувату (аеробного гліколізу) будуть розглянуті нижче. Зауважимо, що окислення в дихальному ланцюзі мітохондрій утворюваних на цьому етапі двох молекул НАДН супроводжується генерацією за рахунок окисного фосфорилювання шести (2x3) молекул АТФ. 1,56- Окислювальне декарбоксилювання піровиноградної кислоти. У результаті цього процесу утворюється ацетилкоензим А — основний субстрат окислення в циклі трикарбонових кислот — та відновлена форма НАД+. Сумарне рівняння окислювального декарбоксилювання пірувату: сн3-со-соон + НАД+ + КоА-Бн Ш-ТО-КоА + НАДН + Н+ + СО2 Окислювальне декарбоксилювання пірувату каталізується піруватдегідрогеназним комплексом — мультиферментною системою, яка в клітинах еукаріотів міститься в мембранах мітохондрій, а у прокаріотів—у цитоплазмі. До складу цього комплексу входять три ферменти, що каталізують три послідовні стадії перетворення пірувату на ацетил-КоА: піруватдегідрогеназа, дигідроліпоїлацетилтрансфераза, дигідро- ліпоїлдегідрогеназа та п’ять коферментів і простетичних груп: тіаміндифосфат (ТДФ), коензим А (КоА), ліпоєва кислота (ЛК), НАД+, ФАД. Ферментативні стадії утворення ацетил-КоА з пірувату. Стадія I — каталізується піруватдегідрогеназою (Е1), коферментом якої є ТДФ. На цій стадії відбувається взаємодія пірувату з С-2 тіазольного кільця молекули тіаміну; в результаті реакції утворюється зв’язаний із ферментом гідроксиетильний похідний тіаміндифосфату: Стадія II — каталізується центральним ферментом комплексу дигідро- ліпоїлацетилтрансферазою (Е2), яка переносить гідроксиетильну групу від ТДФ(Е1) на простетичну групу ферменту Е2, що є окисленою формою ліпоєвої кислоти (ЛК); в результаті реакції утворюється ацетилтіоефір відновлених ліпоїльних груп ферменту Е2, що містить макроергічний зв’язок: Стадія Ш — дигідроліпоїлацетилтрансфераза переносить ацетильну групу від відновленої ліпоєвої кислоти на коензим Стадія IV — окислення відновленої форми ферменту Е2 ФАД-залежною дигідроліпоїлдегідрогеназою (Е3): ^ Стадія V — перенесення атомів водню від відновленої ФАД-групи дигідро- ліпоїлдегідрогенази на НАД+ з утворенням Відновлений НАДН, що утворюється в результаті окислювального декарбок- силювання пірувату, в аеробних умовах окислюється в мітохондріальному електронотранспортному ланцюзі з генерацією шести (2x3) молекул АТФ. 10. Окислення ацетил-КоА до двоокису вуглецю та води в циклітрикарбонових кислот. Цикл трикарбонових кислот, функціонально та біохімічно спряжений із ланцюгом електронного транспорту в мембранах мітохондрій, завершує аеробне окислення глюкози до СО2 та Н2О, генеруючи 12 молекул АТФ на кожну молекулу ацетил-КоА, що розщеплюється.

30. анаеробнЕ ОКИСЛЕННЯ гліколізу Як свідчать зазначені вище реакції, в аеробних умовах кінцевим продуктом гліколізу в тваринних тканинах є піруват; при цьому НАДН, що утворився в результаті окислення гліцеральдегід-3-фосфату, реокислюється в мітохондріях за рахунок молекулярного кисню. За умов анаеробного гліколізу (наприклад, в інтенсивно працюючих скелетних м’язах або в молочнокислих бактеріях) гліколі- тичний НАДН не віддає свої відновлювальні еквіваленти в дихальний ланцюг мітохондрій, а використовується для відновлення пірувату до L-лaктaтy: піруват Реакція каталізується ферментом лактатдегідрогеназою, яка існує у вигляді п’яти різних ізоферментних форм (ЛДГ1—ЛДГ5), що відрізняються за своїми кінетичними властивостями (Км, V , ступенем алостеричного інгібірування піруватом). Загальну послідовність ферментативних реакцій гліколізу подано на рис. 11.3. Таким чином, ферментативні реакції анаеробного гліколізу майже повністю спів¬падають із реакціями аеробного гліколізу, відрізняючись лише на етапі, що відбувається після утворення пірувату: при аеробному гліколізі піруват є субстратом перетворення на ацетилкоензим А та подальшого окислення (див: Аеробне окислення глюкози), а при анаеробному гліколізі піруват відновлюється до лактату за рахунок НАДН, що утворився в реакціях гліколітичної оксидоредукції. Інакше кажучи, після утво¬рення пірувату подальше його перетворення може відбуватися за одним із двох альтер¬нативних шляхів, що залежать від стану окислювально-відновлювальних процесів у певній тканині: 1,57- в аеробних умовах відбувається окисне декарбоксилювання пірувату до ацетил-КоА, який у подальшому окислюється до С02 та Н20 в циклі Кребса; НАДН, що утворився при окисленні гліцеральдегід-3-фосфату віддає свої відновлювальні еквіваленти на дихальний ланцюг мітохондрій через спеці¬альні човникові механізми; 1,58- в анаеробнихумовах (або в умовах гіпоксії) реокислення гліколітичного НАДН відбува¬ється за рахунок дії лактатдегідрогенази, яка відновлює піруват до лактату; течія лактат- дегідрогеназної реакції в даному напрямку генерує НАД+, що знову використовується для окислення гліцеральдегід-3-фосфату і подальшого накопичення лактату як про-дукту анаеробного гліколізу.

32. Окислювальне декарбоксилювання піровиноградної кислоти. У результаті цього процесу утворюється ацетилкоензим А — основний субстрат окислення в циклі трикарбонових кислот — та відновлена форма НАД+. Сумарне рівняння окислювального декарбоксилювання пірувату: сн3-со-соон + НАД+ + КоА-Бн Ш-ТО-КоА + НАДН + Н+ + СО2 Окислювальне декарбоксилювання пірувату каталізується піруватдегідрогеназним комплексом — мультиферментною системою, яка в клітинах еукаріотів міститься в мембранах мітохондрій, а у прокаріотів—у цитоплазмі. До складу цього комплексу входять три ферменти, що каталізують три послідовні стадії перетворення пірувату на ацетил-КоА: піруватдегідрогеназа, дигідроліпоїлацетилтрансфераза, дигідро- ліпоїлдегідрогеназа та п’ять коферментів і простетичних груп: тіаміндифосфат (ТДФ), коензим А (КоА), ліпоєва кислота (ЛК), НАД+, ФА

33.ОКИСЛЮВАЛЬНЕ ДЕКАРБОКСИЛЮВАННЯ Окислення гліцеральдегід-3-фосфату до 3-фосфогліцеринової кислоти (3-ФГК). Цей процес (гліколітична оксидоредукція) складається з двох етапів, що каталі¬зуються окремими ферментами: 1,58- Окислення гліцеральдегід-3-фосфату до 1,3-дифосфогліцерату (1,3-ди- фосфогліцеринової кислоти — 1,3-диФГК). Реакція каталізується ферментом гліцеральдегід-3-фосфатдегідрогеназою, коферментом якого є НАД+, що акцептує відновлювальні еквіваленти (електрони) від альдегідної групи Г-3-Ф. У реакції бере також участь неорганічний фосфат: Човникові механізми окислення НАДН Мембрани мітохондрій непроникні для НАДН, тому гліколітичний НАДН, що утворюється в цитозолі, не може безпосередньо окислюватися НАДН-дегідро- геназою мітохондріального електронотранспортного ланцюга. Для окислення цитозольного НАДН існують човникові системи, що транспортують відновлю- вальні еквіваленти від цієї сполуки до мітохондрій непрямим шляхом. Сутність цих процесів полягає в тому, що гліколітичний НАДН у цитозолі відновлює певний метаболіт, який здатний проникати через внутрішню мітохондріальну мембрану в матрикс мітохондрій, де він окислюється, відновлюючи внутрішньоміто- хондріальний НАД+, і знову повертається до цитозолю. Транспорт цитозольного (гліколітичного) водню в мітохондрії здійснюється малат-аспартатною та гліцерофосфатною човниковими системами, Малат-аспартатна човникова система — сутність її полягає у відновленні за рахунок водню системи (НАДН+ + Н+) оксалоацетату до малату (цитозольна реакція) з подальшим транспортом малату всередину мітохондрії і повторним його окисленням до оксалоацетату з відновленням НАД+ (мітохондріальна реакція); зворотний транспорт оксалоацетату в цитозоль здійснюється після його перетворення до аспартату (зворотна реакція трансамінування)

34.Порівняльна характеристика біоенергетики аеробного та анаеробного... Гальмування реакцій гліколізу за рахунок пригнічення в умовах активного клітинного дихання каталітичних активностей фосфофруктокінази та піруват¬кінази є молекулярною основою ефекту Пастера. ЕНЕРГЕТИКА ГЛІКОЛІЗУ Й АЕРОБНОГО ОКИСЛЕННЯ ГЛЮКОЗИ Енергетика гліколізу Враховуючи дві молекули АТФ, що використовуються на першій стадії глі¬колізу (гексокіназна та фосфофруктокіназна реакції), та чотири молекули АТФ, що утворюються на другій стадії (фосфогліцераткіназна та піруваткіназна ре¬акції), сумарний процес аеробного та анаеробного гліколізу можна подати таким рівнянням: СбНп0б + 2 АДФ + 2 Фн 2 CзО40з(CзО60з) + 2 АТФ Утворення в реакціях гліколізу молекул АТФ за рахунок безпосереднього перенесення макроергічних фосфатних груп від 1,3-диФГК та ФЕП на АДФ отримало назву субстратного фосфорилювання (“фосфорилювання на рівні субстрату”). Енергетика аеробного окислення глюкози Для підрахунку загальної кількості молекул АТФ, що генеруються за умов повного окислення глюкози до двоокису вуглецю та води, враховують: кількість молекул АТФ, які утворились на етапі аеробного гліколізу (2 мо¬лекули АТФ); 1,59- кількість молекул АТФ, які утворились за рахунок окислення в мітохондріях двох молекул гліколітичного НАДН (2x3 = 6 молекул АТФ); 1,60- кількість молекул АТФ, які утворились на етапі окисного декарбоксилювання двох молекул пірувату за рахунок окислення в мітохондріях НАДН, утвореного в піруватдегідрогеназній реакції (2x3 = 6 молекул АТФ); 1,61- кількість молекул АТФ, які утворились за рахунок окислення в циклі трикарбонових кислот двох молекул ацетил-КоА (2x12 = 24 молекули АТФ). Сумарне рівняння аеробного окислення глюкози, що враховує АТФ, генеро¬вану при субстратному фосфорилюванні на гліколітичному етапі та за рахунок окисного фосфорилювання в мітохондріях, таке: С6Н12О6 + 6 О2 + 38 АДФ + 38 ФН 6 С02 + 6 Н20 + 38 АТФ

35.фОСФОРОЛІЧНИЙ ШЛЯХ РОЩЕПЛЕННЯ ГЛІКОГЕНУ... Ферментативні реакції розщеплення глікогену (глікогенолізу). 1. Процес глікогенолізу реалізується за механізмом фосфоролітичного роз¬щеплення, яке полягає у фосфоролізі 1,4-глікозидного зв’язку на нередукуючому кінці молекули глікогену (такому, що містить вільну (С-4)-ОН-групу). В реакції вивільнюється глюкозо-1-фосфат, а нерозгалужений фрагмент молекули глікогену скорочується на один моносахаридний залишок Фермент, що каталізує реакцію, — глікогенфосфорилаза, 1,62- Фосфорилаза відрізає моносахаридні залишки у вигляді глюкозо-1-фосфату від нерозгалужених амілозних ланцюгів глікогену. Розщеплення розгалужених фраг¬ментів відбувається під дією аміло-1,6-глікозидази (дерозгалужуючий фермент), Фермент каталізує глікозилтрансферазну та аміло-1,6-глюкозидазну реакції, а саме: 11. переносить олігосахаридні залишки, що складаються із трьох моносаха¬ридів, в кінець нерозгалужених ланцюгів, що експонує залишки глюкози, сполучені з основним ланцюгом а(1^"6)-глікозидними зв’язками; 12. розриває (1^-6}-глікозидні зв’язки гідролітичним шляхом, вивільняючи молекули глюкози, 1,63- Глюкозо-1-фосфат, що утворюється при фосфоролізі глікогену, під дією фосфоглюкомутази перетворюється в глюкозо-6- фосфат, 1,64- Подальші метаболічні шляхи обміну глюкозо- 6-фосфату відмінні в клітинах печінки і м’язів: 13. в печінці глюкозо-6-фосфат при дії глюкозо- 6-фосфатази перетворюється у вільну глюкозу, яка надходить у кров і використовується в інших орга¬нах і тканинах; 14. у м’язах, які не містять глюкозо-6-фосфатази, глюкозо-6-фосфат використовується для власних енергетичних потреб, окислюючись аеробним або анаеробним шляхом,

36.БІОСИНТЕЗ ГЛІКОГЕНУ ...Ферментативні реакції синтезу глікогену (глікогенезу) 1,65- Утворення нуклеотидцукру-попередника. Реакція катазізується ферментом УДФ-глюкозопірофосфорилазою і є обер¬неною, але у фізіологічних умовах її рівновага зсунута праворуч у зв’язку з постій¬ним гідролізом пірофосфату, що утворюється (Н4Р207), пірофосфатазою. Глюкозо-1-фосфат, який є субстратом реакції, утворюється з глюкозо-6-фос- фату (див. главу 11) за рахунок дії фосфоглюкомутази. 1,66- Формування нерозгалужених ланцюгів глікогену. При синтезі а-1,4-глікозидних (амілозних) ланцюгів глікогену в ролі акцеп¬торів активованих залишків глюкози виступають нерозгалужені полісахаридні ланцюги вже наявних у клітині молекул глікогену (“затравочний” глікоген). Фер¬мент УДФ-глікогентрансфераза (глікогенсинтаза) переносить молекули моноса¬хариду від УДФ-1-глюкози на С-4-гідроксильні групи термінальних (и-их) залишків глюкози: 3. Формування розгалужень у молекулі глікогену. Регуляція активності глікогенсинтази Аналогічно до глікогенфосфорилази, глікогенсинтаза може існувати в двох молекулярних формах — фосфорильованій і дефосфорильованій. Але, на відміну від глікогенфосфорилази, каталітично активною є дефосфорильована форма ферменту — глікогенсинтаза а, а неактивною — фосфорильована форма — глікогенсинтаза Ь. Фосфорилювання глікоген-синтази здійснюється за сериновими залишками фер¬менту цАМФ-залежною протеїнкіназою за рахунок макроергічних фосфатів АТФ: глікогенсинтаза а + 2АТФ (активна) глікогенсинтаза Ь + 2АДФ (неактивна) Зворотна реакція — дефосфорилювання (активація) глікоген-синтази ката¬лізується відповідною фосфатазою. Із наведеного зрозуміло, що стимуляція каскаду фосфоролізу глікогену адре¬наліном або глюкагоном, яка супроводжується зростанням концентрації в клітинах цАМФ та активності цАМФ-залежних протеїнкіназ, призводить до фосфорилю- вання глікогенсинтази і її інактивації, тобто до пригнічення реакцій синтезу глікогену. Таким чином, глікогенфосфорилаза і глікогенсинтаза регулюються рецип- рокно: активація глікогенфосфорилази (і фосфоролізу глікогену) відбу¬вається в умовах інактивації глікогенсинтази (і синтезу глікогену). Ця ре- ципрокна регуляція метаболізму є яскравим проявом молекулярної логіки живих організмів, які включають катаболічні ферментні системи при необхідності за¬безпечення клітин енергією (м’язова діяльність вимагає розщеплення резервних вуглеводів) і переключають біохімічні реакції на шляхи анаболізму (в даному випадку — синтезу глікогену) в період фізіологічного спокою. Реакція каталізується аміло (1,4-1,6) транс- глікозилазою (роз¬галужуючий фер¬мент).

38.РОЛЬ АДРЕНАЛІНУ гормональна регуляція метаболізму глікогену Участь гормонів у регуляції глікогенолізу та глікогенезу в м’язах та печінці може бути підсумована таким чином: А. У м’язах. Адреналін — стимулює глікогеноліз та гальмує глікогенез шляхом: а) активації глікогенфосфорилази за рахунок її цАМФ-залежного фосфори- лювання; б) інгібірування глікогенсинтази за рахунок її цАМФ-залежного фосфори- лювання. Інсулін — стимулює глікогенез і гальмує глікогеноліз шляхом: а) підвищення проникності мембран м’язових клітин для глюкози, що вико¬ристовується для синтезу глікогену; б) зменшення внутрішньоклітинного рівня цАМФ за рахунок активації її розщеплення фосфодіестеразою. Б. У печінці. Глюкагон — стимулює глікогеноліз та гальмує глікогенез за механізмом, аналогічним дії адреналізу в клітинах м’язів. Інсулін — підвищує активність ферментативних реакцій синтезу глікогену за рахунок біохімічних механізмів, близьких до розглянутих вище. Таким чином, співвідношення глюкагон/інсулін є важливим фізіологічним механізмом, що контролює глікогенну функцію печінки та рівень глюкози в крові після споживання їжі: 1,67- переважання інсуліну сприяє утворенню в організмі резервів вуглеводів у формі глікогену печінки; 1,68- переважання глюкагону сприяє мобілізації запасів глікогену печінки в умовах зниження рівня глюкоземії, яке спостерігається через кілька годин після спожи¬вання їжі.

39.Глікогенози Глікогенози — спадкові хвороби, молекулярною основою виникнення яких є уроджена недостатність синтезу певних ферментів глікогенолізу, пов’язана з де¬фектами в генетичній системі клітин, При глікогенозах у внутрішніх органах та тканинах (здебільшого в печінці, м’язах, клітинах крові) спостерігається нако¬пичення аномально надмірної кількості глікогену, іноді зі зміненою молекулярною структурою, який не може використовуватися у метаболічних процесах —Клінічно глікогенози проявляються важкою гіпоглюкоземією внаслідок не¬здатності глікогену печінки розщеплюватися з вивільненням молекул глюкози. Глікогенози, при яких ушкоджені ферментні системи мобілізації глікогену печін¬ки, характеризуються збільшенням маси органа, жировою дистрофією гепатоцитів та явищами цирозу. Недостатність ферментних систем глікогенолізу в м’язах су¬проводжується судомами за умов фізичних навантажень. Аглікогенози Аглікогенози — спадкові хвороби накопичення глікогену, молекулярною основою яких є генетичні дефекти, що призводять до порушення утворення фер¬менту глікогенсинтази. Внаслідок недостатності глікогенсинтази гепатоцити не здатні утворювати резерви глікогену, концентрація якого всередині клітин значно зменшена. Внас¬лідок відсутності глікогенових резервів хворі при аглікогенозах, як і при глікоге- нозах, страждають від глибокої гіпоглюкоземії, особливо натщесерце, після знач¬ної перерви з часу надходження харчової глюкози. Гіпоглюкоземія при аглікогено- зах може супроводжуватися важкою комою внаслідок енергетичного голодування головного мозку. Такі хворі звичайно вмирають у ранньому дитячому віці.

40.Глюконеогенез (гліконеогенез) — синтез глюкози з невуглеводних метаболіч¬них попередників, до яких належать: піруват (та лактат); деякі амінокислоти (глюкогенні амінокислоти); певна кількість глюкози може утворюватися з гліце- ролу та продуктів катаболізму жирних кислот з непарною кількістю вуглецевих атомів у вуглеводневому ланцюзі. Фізіологічне значення глюконеогенезу Реакції глюконеогенезу відбуваються переважно в печінці та, в деякій мірі, в кірковому шарі нирок, оскільки в клітинах саме цих органів присутній повний набір необхідних ферментів. За добу в організмі дорослої людини синтезується до 80 г глюкози. Біосинтез глюкози забезпечує її нормальну концентрацію в умовах зменшеного надходження моносахариду із зовнішнього середовища та вичерпання головного акумульова¬ного джерела глюкози — глікогену печінки та м’язів. Така фізіологічна ситуація спостерігається через декілька годин після прийому їжі (постабсорбтивний стан, що відбувається зранку, натщесерце), в умовах тривалого голодування, після вис¬нажливої фізичної роботи. Особливо чутливий до зменшення внутрішньоклітин¬ної концентрації глюкози головний мозок людини, для якого глюкоза є основним субстратом енергетичного обміну, що споживається в кількості близько 120 г за добу. Реакції та ферменти глюконеогенезу 1. Перетворення пірувату в фосфо¬енолпіруват. Реакція відбувається в дві послідовні стадії: 1). Перетворення пірувату в оксало- ацетат (щавлевооцтову кислоту) за участю ферменту піруваткарбоксилази: Піруваткарбоксилаза локалізована всередині мітохондрій. Простетичною групою ферменту є карбоксибіотин — коферментна форма С02-транспортуючого вітаміну Н. Макроергічний зв’язок АТФ витрачається на карбоксилювання зв’язаного з ферментом біотину (див. главу 15, п. 15.1). 2). Перетворення оксалоацетату в фос¬фоенолпіруват (ФЕП) за участю ферменту фосфоенолпіруват- карбоксикінази (ФЕП- кінази): оксалоацетат + ГТФ Субстрати глюконеогенезу Основними попередниками (субстратами) глюконеогенезу є піруват (лактат) та амінокислоти (переважно аланін), що утворюються, головним чином, у функціонуючих скелетних м’язах, еритроцитах та клітинах деяких інших тканин. 1,69- Утворення пірувату з лактату в печінці Лактат, утворенний з пірувату в анаеробному гліколізі, є кінцевим продуктом метаболізму; його включення в обмін речовин (окислення або використання в синтезі глюкози — глюконеогенезі) можливе лише через реокислення до пірувату в лактатдегідрогеназній реакції: L-лактат + НАД+ ► піруват + НАДН + Н+ Реакція каталізується розглянутою вище (глава 11) лактатдегідрогеназою і є протилежною за напрямком відносно лактатдегідрогеназної реакції, яка утворює лактат із пірувату в умовах анаеробного гліколізу. Напрямок ЛДГ-азної реакції в бік утворення пірувату наявний саме в глюконеогенних тканинах (печінка, нирки), де його спрямованість визначається відповідними відношеннями НАД+/НАДН, піруват/лактат, присутністю певного ізоферменту ЛДГ. При цьому джерелом лактату для печінкового глюконеогенезу є лактат, який надходить через плазму крові з місць його утворення — переважно скелетних м’язів. У клітинах більшості тваринних організмів ФЕП-кіназа локалізована в цитозолі, у людини — в цитозолі, частково — в мітохондріях.

41.Глюкозо-лактатний цикл Таким чином, формується циклічний процес (глюкозо-лактатний цикл, або цикл Корі), що пов’язує процеси утворення лактату в клітинах м’язової тканини в ході анаеробного гліколізу, його вихід у кров через плазматичні мембрани м’язових клітин і використання лактату (після окислення в піруват) в гепатоцитах для глюконеогенезу (рис. 12.7). Частина пірувату (не зазначена на схемі) окислю¬ється в піруватдегідрогеназній реакції до ацетил-КоА. У скелетних м’язах ЛДГ-азна реакція перебігає переважно в бік утворення з пірувату лактату (глава 11). За рахунок відновлення пірувату в лактат таподальшого його використання для глюконеогенезу в печінці (цикл Корі), скелетні м’язи не тільки втрачають “зайву” молочну кислоту, що утворюється в особливо значних кількостях при інтенсивній фізичній праці, а й підтримують високе співвідношення НАД+/НАДН, необхідне для активного функціонування гліколізу (використання НАД+ у процесі гліколітичної оксидоредукції). Глюконеогенез за участю амінокислот найбільш активний за умов повного голодування, коли підтримання рівня енергетичних процесів в організмі, зокрема нормальної концентрації глюкози крові та головного мозку, здійснюється за раху¬нок катаболізму власних тканинних білків. Глюкозо-аланіновий цикл Важливим субстратом глюконеогенезу в печінці є аланін, який може утворю¬ватися в скелетних м’язах у зворотній реакції трансамінування пірувату з глута- матом: Вивільняючись із працюючих м’я¬зів у кров, аланін поглинається гепато- Піруват м’язів Піруват печінки цитами і (після перетворення в піруват) використовується в глюконеогенезі (глюкозо-аланіновий цикл):

42.ГЛЮКОЗА КРОВІ глюкоземіЯ Зменшення рівня глюкоземії.(гіпоглюкоземія, гіпоглікемія), що настає че¬рез декілька годин після останнього споживання їжі, супроводжується підви¬щенням рівня секреції а-клітинами острівкової частини підшлункової залози гормону глюкагону, який стимулює процеси глюконеогенезу за розглянутими вище механізмами. За рахунок активації каскадної аденілатциклазної системи в мемб¬ранах гепатоцитів глюкагон стимулює фосфороліз глікогену, що також робить свій внесок у збільшення рівня вільної глюкози. Збільшення рівня глюкоземії (гіперглюкоземія, гіперглікемія) стимулює секрецію (3-клітинами підшлункової залози гормону інсуліну, який підвищує ступінь проникності плазматичних мембран багатьох клітин для глюкози (окрім головного мозку), сприяючи їх внутрішньоклітинному метаболізму. Інсулін зменшує швид¬кість синтезу ферментів глюконеогенезу в печінці та, навпаки, стимулює синтез ключових регуляторних ферментів гліколізу — гексокінази, фосфофруктокінази, піруваткінази, переводячи, таким чином, обмін глюкози з глюкогенного на гліко- літичний шлях. Крім того, інсулін стимулює синтез у печінці та м’язах глікогену, що також є метаболічним процесом, спрямованим на зменшення концентрації вільної глюкози. Цукровий діабет — ендокринна хвороба, що характеризується генетично детермінованим абсолютним або відносним дефіцитом гормону підшлункової залози інсуліну. В основі розвитку цукрового діабету лежить зниження продукції інсуліну в P-клітинах острівкового (інсулярного) апарату підшлункової залози або нездатність відповідних клітинних рецепторів реагувати на інсулін. Відповідно до зазначеного розрізняють: 1,70- інсулінозалежний цукровий діабет (ІЗЦД), який розвивається внаслідок руйнування значної кількості (звичайно більше 90 %) секретуючих інсулін P-клі- тин. Причиною деструкції P-клітин є генетично зумовлений автоімунний процес. ІЗЦД складає 10-15 % всіх випадків цукрового діабету і проявляється гіпер¬глікемією та схильністю до кетонемії та кетоацидозу. Ця форма цукрового діабету розвивається звичайно в ранньому віці (до 30 років), найчастіше у дітей та підлітків; 1,71- інсулінонезалежний цукровий діабет (ІНЗЦД) — форма цукрового діабету, за якого у більшості хворих зберігаються P-клітини в інсулярній частині підшлункової залози, але порушені специфічні реакції клітин на дію інсуліну або регуляція його секреції під впливом збільшеної концентрації глюкози крові. ІНЗЦД розвивається звичайно у дорослих (старше 30 років) та осіб похилого віку і проявляється гіперглікемією та ожирінням.

43.Гормональна регуляція глюконеогенезу — здійснюється за участю глю¬кагону, адреналіну (епінефрину), глюкокортикоїдних гормонів кори надниркових залоз та інсуліну. 1,71- Глюкагон, адреналін та глюкокортикоїди підвищують швидкості синтезу в гепатоцитах шунтових ферментів глюконеогенезу — ФЕП-кінази, Фр-1,6- дифосфатази, Г-6-Ф-ази. 15. Інсулін пригнічує синтез зазначених глюконеогенних ферментів, що гальмує активність процесу глюконеогенезу. 1РЕГУЛЯЦІЯ ОБМІНУ ГЛЮКОЗИ. ЦУКРОВИЙ ДІАБЕТ Нормальна концентрація глю¬кози в крові здо¬рової людини (в постабсорбтивно- му стані) складає З,З-5,5 ммоль/л (60-100 мг %). Адреналін—гормон мозкової частини надниркових залоз, збільшення секреції якого призводить до підвищення вмісту глюкози в крові за рахунок стимуляції фосфоролізу глікогену (детально - див. главу 13) в м’язах та частково в печінці, що, через Г-6-Ф-азну реакцію, супроводжується гіперглюкоземією. Глюкокортикоїди, основним представником яких є кортизол, стимулюють глюконеогенез (і, відповідно, підвищують рівень глюкоземії при тривалому вве¬денні в організм) за рахунок стимуляції синтезу в печінці ферментів глюконео- генезу — головним чином ФЕП-кінази, та ферментів, що перетворюють у субст¬рати глюконеогенезу деякі глюкогенні амінокислоти (серин, тирозин, триптофан). Соматотропін — гормон аденогіпофіза, що, подібно до інсуліну, збільшує проникність плазматичних мембран клітин м’язової та жирової тканини для глюкози, але, на відміну від інсуліну, — активує глюконеогенез в печінці.

44.пентозофосфатнИЙ шлях Реакції та ферменти пентозофосфатного шляху (ПФШ) окислення глюкози локалізовані в цитозолі клітин. Сумарне рівняння процесу має вигляд: 6 глюкозо-6-фосфат + 12 НАДФ+ + 7 Н2О ►б глюкозо-6-фосфат + + 12 НАДФН + 6 СО2 + Фн Як випливає з рівняння реакції, в результаті реакцій ПФШ одна (з шести) молекула глюкозо-6-фосфату повністю окислюється з вивільненням діоксиду вуг¬лецю та акумуляцією відновлювальних еквівалентів (дванадцяти атомів водню) у вигляді НАДФН. Загальний процес складається із двох стадій: 1,72- стадія — окислювальна, в ході якої активована молекула глюкози (шість молекул глюкозо-6-фосфату) дегідрується та декарбоксилюється з утворенням фосфорильованої пентози — рибулозо-5-фосфату (шість молекул); на відміну від гліколізу, акцептором водню в реакціях дегідрування є НАДФ+: 6 глюкозо-6-фосфат + 12 НАДФ+ + 6 Н2О ► 6 рибулозо-5-фосфат + + 12 НАДФН + 6 СО2 1,73- стадія — стадія ізомерних перетворень, в ході якої рибулозо-5-фосфат (шість молекул) знову перетворюється на глюкозо-6-фосфат (п’ять молекул): 16. рибулозо-5-фосфат + Н2О ► 5 глюкозо-6-фосфат + Фн Специфічними для цієї стадії є ферменти транскетолаза та трансальдолаза, що каталізують реакції міжмолекулярного переносу дво- та тривуглецевих карбонільних радикалів: Пентозофосфатний шлях окислення глюкози має важливе фізіологічне значен¬ня для функціонування інших анаболічних (біосинтетичних) механізмів, а саме: 1,74- за рахунок функціонування пентозофосфатного шляху метаболізму глю¬кози в організмі утворюється приблизно половина пулу НАДФН (решта — в результаті дії НАДФ-залежних ізоцитратдегідрогенази та малатдегідрогенази), що використовується у відновлювальних синтезах жирних кислот та стероїдів; пентозо-фосфатний шлях є постачальником рибозо-5-фосфату, який використовується для утворення нуклеотидів нуклеїнових кислот ДНК та РНК, коферментних біомолекул НАД (НАДФ), ФАД, АТФ, КоА, циклічних нуклео¬тидів 3',5'-АМФ та 3',5'-ГМФ; 1,75- пентозофосфатний шлях активно функціонує в еритроцитах людини. Біоло¬гічне значення функціонування ПФЦ у цих клітинах полягає в генерації НАДФН, що необхідний для протидії перешеному окисленню ненасичених жирних кислот фосфоліпідів еритроцитарних мембран, тобто для попередження гемолізу еритроцитів.

45.МЕТАБОЛІЧНІ ШЛЯХИ ПЕРЕТВОРЕННЯ ФРУКТОЗИ Галактоземія Спадковий дефект синтезу галактозо-1-фосфат-уридил- трансферази проявляється уро¬дженою ензимопатією — га- лактоземією. Внаслідок неспро¬можності біохімічних систем організму перетворювати галактозу в глюкозу, в крові та внутрішніх органах хворих накопичуються галактоза та галактозо-1- фосфат, що проявляється збільшенням печінки, змутненням кришталика, за¬тримкою розумового розвитку. Патологія виявляється в ранньому дитячому віці при споживанні молока, її розвиток може бути затриманий відповідними дієтичними обмеженнями.

Існують спадкові ензимопатії, пов’язані з генетичними дефектами синтезу ферментів метаболізму фруктози:

а) непереносимість фруктози—захворювання, молекулярною основою якого є уроджена недостатність фруктозо-1-фосфатальдолази, що спричиняє накопи¬чення в тканинах фруктозо-1-фосфату, який є інгібітором деяких ферментів вугле¬водного обміну, зокрема фосфорилази глікогену. Патологія проявляється фрук- тоземією, фруктозурією та важкою гіпоглікемією, що розвиваються після споживання дієти, яка містить фруктозу; б) фруктоземія — патологія обміну фруктози, спричинена недостатністю фруктокінази. Ензимопатія характеризується порушенням клітинної утилізації фруктози без суттєвих клінічних проявів.

46.КАТАБОЛІЗМ ТРИАЦИЛГЛІЦЕРОЛІВ В АДИПОЦИТАХЖИРОВОЇ ТКАНИНИ Реакції катаболізму триацилгліцеролів Ферментативний гідроліз (ліполіз} триацилгліцеролів в адипоцитах та інших клітинах, де накопичуються нейтральні жири, є фізіологічним механізмом, що має суттєве значення як резервне джерело енергії, особливо в умовах вичерпання вуглеводних резервів та при стресових ситуаціях. Процес розщеплення триацил¬гліцеролів із вивільненням жирних кислот, які виходять у кров, отримав назву мобілізації жирних кислот із жирової тканини. Внутрішньоклітинний ліполіз триацилгліцеролів (ТГ) здійснюється в декілька стадій, продуктами яких є діацилгліцероли (дигліцериди — ДГ), моноацил- гліцероли (моногліцериди — МГ), гліцерол та вільні жирні кислоти: Вільні жирні кислоти (неестерифіковані жирні кислоти — НЕЖК) є субстра¬тами окислення для клітин багатьох тканин, зокрема міокарда, хребцевої, гладень¬кої мускулатури тощо, крім головного мозку. Після надходження в плазму крові нерозчинні у водній фазі плазми крові високомолекулярні жирні кислоти транс¬портуються у зв’язаній з сироватковим альбуміном молекулярній формі. Молекулярної основою регуляції активності тригліцеридліпази адипоци- тів є її ковалентна модифікація шляхом оберненого фосфорилювання — дефосфорилювання. Фосфорильована форма ТГ-ліпази є каталітично активною, дефосфори- льована — неактивною. Фосфорилю- вання відповідного білка здійснюється за рахунок АТФ при участі ферменту цАМФ-залежної протеїнкінази. У свою чергу, збільшення внутрішньо¬клітинної концентрації цАМФ є резуль¬татом взаємодії зі специфічними рецеп¬торами плазматичних мембран адипо- цитів адреналіну або глюкагону, що призводить до активації мембранозв’я- заної

48.РЕАКЦІЇ ОКИСЛЕННЯ ЖИРНИХ КИСЛОТ... Ферментативні реакції Р-окислення жирних кислот 1. Дегідрування КоА-похідних жирних кислот за участю ФАД-залежного фер¬менту ацил-КоА-дегідрогенази, У результаті реакції утворюється трансненасичене (в положеннях 2,3, або а, Р) КоА-похідне жирної кислоти: неактивної молекулярної форми ферменту. 2. Гідратація ненасиченого КоА-ацилу ферментом еноїл-КоА-гідратазою з утво¬ренням спиртового похідного ацил-КоА—3-оксіацилу-КоА (Р-гідроксіацилу-КоА): 3. Дегідрування оксипохідного ацил-КоА НАД-залежним ферментом 3-оксіацил- КоА-дегідрогеназою. Продукт реакції — 3-кетоацил-КоА (Р-кетоацил-КоА): 4. Тіолітичне розщеплення 3-кетоацил-КоА за рахунок взаємодії з молекулою КоА при участі ферменту Р-кетоацил-КоА-тіолази. В результаті реакції утворю¬ється молекула КоА-похідного жирної кислоти, скороченого на два вуглецеві атоми, та ацетил-КоА: Ферменти Р-окислення жирних кислот локалізовані всередині мітохондрій, але внутрішня мітохондріальна мембрана непроникна для довголанцюгових ацильних похідних КоА. Тому на внутрішній мітохондріальній мембрані функ-

1,76- включає аміноспирт карнітин, який бере участь у перенесенні молекул ацил-КоА до Клртиин мітохондріального матриксу. Транспортна функція карнітину реалізується за човниковим принципом

49.ЕНЕРГЕТИЧНА ВАРТІСТЬ... Енергетика Р-окислення жирних кислот 1. У кожному циклі Р-окислення вивільняється одна молекула ацетил-КоА, окислення якої в циклі трикарбонових кислот супроводжується утворенням 12 молекул АТФ (глава 10). Р-Окислення пальмітату (див. вище) призводить до утво¬рення 8 молекул ацетил-КоА, повне окислення яких до СО2 та Н2О дасть 96 (12x8) молекул АТФ. 2. У кожному циклі Р-окислення утворюються дві молекули відновлених ко- ферментів — ФАДН2 та НАДН, які можуть віддавати свої відновлювальні еквіва¬ленти ланцюга електронного транспорту в мітохондріях, сприяючи генерації в результаті окисного фосфорилювання 2 (ФАДН2) та 3(НАДН), тобто сумарно 5 молекул АТФ. У разі повного окислення пальмітату в 7 циклах Р-окислення за рахунок даного механізму утвориться 35 (5X7) молекул АТФ. Враховуючи витрату 1 молекули АТФ на етапі активації жирної кислоти, за¬гальна кількість молекул АТФ, що може синтезуватися в умовах повного окислен¬ня до діоксиду вуглецю та води молекули пальмітату, дорівнює 130 (96+35-1). Виходячи з цього, можна подати сумарне рівняння окислення пальмітинової кислоти в мітохондріях: С15Н31СООН + 23 02 + 130 АДФ + 130 Фн »-16 С02 + 16 Н20 + 130 АТФ

50.Окислення гліцеролу Гліцерол, що утворюється при розщепленні триацилгліцеролів або гліцеро- фосфоліпідів, може вступати на шлях катаболізму (окислення) або знову вико¬ристовуватися для біосинтезу різних класів гліцеридів (глава 15). 1,77- Включенню гліцеролу до метаболічних перетво¬рень передує його активація, яка полягає в його трансфор¬мації за участю АТФ до глі- церол-3-фосфату (а-гліце- рофосфату) при дії фермен¬ту гліцеролфосфокінази. 1,78- а-Гліцерофосфат здат¬ний до окислення мітохон- дріальним ферментом а- гліцерофосфатдегідрогена- зоЮ з утвореННям гліцераль- а-Гліцерофосфат Гліцеральдегід-З-фосфат дегід-3-фосфату (Г-3-Ф). Гліцеральдегід-3-фосфат є одним з центральних метаболітів гліколітичного окислення глюкози. Подальше перетворення Г-3-Ф, утворенного при окисленні гліцеролу, співпадає з катаболізмом гліколітичного Г-3-Ф (

51.КЕТОНОВІ ТІЛА Ферментні реакції утворення кетонових тіл Утворення кетонових тіл відбувається в цитозолі (початкові етапи) та мітохондріях гепатоцитів за рахунок таких реакцій: 1,79- Конденсація двох мо¬лекул ацетил-КоА з утво¬ренням ацетоацетил-КоА. Реакція каталізується ци- тозольним ферментом тіо- лазою. 1,80- Взаємодія ацетоаце- тил-КоА з новою молеку¬лою ацетил-КоА з утворен¬ням Р-гідрокси-Р-метил- глутарил-КоА (р-ГОМК). При утворенні кетонових тіл реакція відбувається в мітохондріях і каталізується ферментом Р-ГОМК-син- тетазою. 1,81- Розщеплення Р-гід- рокси-Р-метилглутарил- КоА мітохондріальним ферментом Р-ГОМК-ліа- зою з утворенням ацето¬ацетату та ацетил-КоА. Необхідно зауважити, що утворення Р-ГОМК із ацетоацетил-КоА є процесом, який може здійснюватися в цитозолі гепатоцитів; у цьому випадку Р-ГОМК підлягає біохімічним перетворенням, які становлять метаболічний шлях біосинтезу холестерину (глава 15), що відбувається в клітинах печінки, кишечника та шкіри. Однак у гепатоцитах більша частина ацетил-КоА, що утворюється при окисленні вуглеводів, жирних кислот, амінокислот і не використовується в цитратному циклі, вступає на шлях утворення кетонових тіл. Реакції утилізації кетонових тіл Після утворення в гепатоцитах кетонові тіла (переважно ацетоацетат) виходять у кров і транспортуються в периферичні тканини, де вони виступають як важливі субстрати біологічного окислення. Використанню ацетоацетату як субстрату метаболічного палива передує його активація з утворенням ацетоацетил-КоА. Існує два ферментативні механізми генерації ацетоацетил-КоА в гепатоцитах: а) взаємодія ацетоацетату з сукциніл-КоА:

активація ацетоацетату НБ-КоА за участю АТФ:

52.ПОРУШЕННЯ ОБМІНУ КЕТОНОВИХ ТІЛ... Метаболізм кетонових тіл в умовах патології У нормі концентрація кетонових тіл у крові та більшості тканин незначна (в середньому 10-20 мг/л). Проте, за умов голодування та цукрового діабету створюються метаболічні умови, за яких кількість кетонових тіл у тканинах різко підвищується за рахунок значної активації їх синтезу. При цьому значно зростають як концентрація кетонових тіл у крові (кетонемія), так і їх виділення з сечею (кетонурія). Біохімічною основою зростання вмісту кетонових тіл в умовах патології є зменшення ступеня утилізації ацетил-КоА в циклі трикарбонових кислот внаслідок порушень вуглеводного обміну. Справа в тому, що входження ацетил-КоА в ЦТК залежить від наявності в клітині достатньої кількості оксалоацетату, необхідного для утворення цитрату. В свою чергу, утворення оксалоацетату, необхідного для нормального функціону-вання трикарбонового циклу, залежить від кількості пірувату (глава 10, розділ 10.4), основним постачальником якого є гліколітичне розщеплення глюкози. В умовах зменшеного надходження в клітину глюкози (голодування, цукровий діабет) ок- салоацетат спрямовується на шлях глюконеогенезу і стає недосяжним для взає¬модії з ацетил-КоА в цитратсинтазній реакції. У зазначених метаболічних умовах ацетил-КоА в значній мірі використовується для утворення кетонових тіл — ацетоацетату та ß-гідроксибутирату. Сприяє накопиченню в клітинах ацетил-КоА також його підвищене утворення при ß-окисленні жирних кислот за рахунок сти- муляціі в умовах глюкозного голодування ліполізу в жировій тканині. Ці біохімічні закономірності пояснюють давній вислів “Жири згоряють у полум’ї вуглеводів”. Введення в організм глюкози (при голодуванні), або глюкози з інсуліном (при цукровому діабеті) підвищує внутрішньоклітинний рівень моносахариду і нормалізує гліколіз, що призводить до активації утилізації ацетил-КоА в циклі трикарбонових кислот і зменшення утворення кетонових тіл. Проте, в умовах відсутності необхідної терапії концентрація ацетоацетату, ß-гідроксибутирату та ацетону в організмі хворих на цукровий діабет може зростати в десятки разів, супроводжуючись порушенням кислотно-лужного балансу і розвитком метаболіч¬ного кетоацидозу, який є небезпечним для нормального функціонування клітин головного мозку.

53.БІОСИНТЕЗ ВИЩИХ ЖИРНИХ КИСЛОТ Біосинтез вищих жирних кислот із подальшим їх включенням до складу триацилгліцеролів жирової та інших тканин — ліпогенез — є метаболічним шляхом, що дозволяє акумулювати в організмі людини та тварин значні енерге¬тичні резерви метаболічного палива. Фізіологічне значення цього процесу пояснюється тією обставиною, що здатність тваринних клітин до створення запасів полісахаридів у вигляді глікогену є досить обмеженою, і тому глюкоза, що надходить із їжею в кількостях, які перевищують безпосередні енергетичні потреби організму, перетворюється на жирні кислоти. Найбільш активно синтез жирних кислот відбувається в адипоци- тах жирової тканини, гепатоцитах печінки, епітеліальних клітинах молочної залози під час лактації. Метаболічні джерела синтезу жирних кислот В організмі людини і тварин здійснюється синтез насичених жирних кислот із парною кількістю вуглецевих атомів (переважно пальмітату та стеарату); мета¬болічним джерелом для цього синтезу є ацетил-КоА, який утворюється за рахунок аеробного окислення глюкози. Активність процесу біосинтезу жирних кислот залежить від характеру дієти; їжа, що містить значну кількість жирів, пригнічує швидкість цього синтезу. Ферментні реакції біосинтезу жирних кислот з ацетил-КоА, на відміну від їх окислення, відбуваються в цитоплазмі клітин; основним продуктом цього синтезу є пальмітинова кислота С15Н31СООН. Безпосереднім донором двовуглецевих фрагментів, що використовуються клі¬тиною для синтезу довголанцюгових жирних кислот, є ацетил-КоА, утворюваний у реакції окислювального декарбоксилювання пірувату (глава 11), яка перебігає в матриксі мітохондрій. Оскільки внутрішня мембрана мітохондрій є непроникною для ацетил-КоА, то для використання ацетил-КоА в процесі біосинтезу жирних кислот застосовується спеціальна човникова система, яка транспортує мітохонд- ріальний ацетил-КоА в цитозоль. Процес відбувається за таким механізмом: Усередині мітохондрій ацетил-КоА взаємодіє з оксалоацетатом, утворюючи лимонну кислоту (цитрат), яка є головним субстратом окислювального цитратного циклу (ЦТК), але може частково залишати мітохондрії і виходити в цитозоль за допомогою спеціальної транспортної системи трикарбоксилатів: 1,82- У цитозольному просторі цитрат розщеплюється спеціальною ліазою з утворенням оксалоацетату та цитозольного ацетил-КоА, якиИ надходить у систему синтезу вищих жирних кислот:

54.БІОСИНТЕЗ МОНО- ТА ПОЛІНЕНАСИЧЕНИХ ЖИРНИХ КИСЛОТ Регуляція біосинтезу насичених жирних кислот Існують два пункти регуляції синтезу вищих насичених жирних кислот в організмі людини: 1,83- Регуляція на рівні ацетил-КоА-карбоксилази. 1,83- Шляхом алостеричної регуляції активності ацетил-КоА-карбоксилази пози¬тивними та негативними модуляторами: Шляхом ковалентної модифікації ацетил-КоА-карбоксилази за рахунок її цАМФ-залежного фосфорилювання (утворення неактивної форми ферменту) та дефосфорилювання (утворення активної форми ферменту). 1,83- Шляхом зміни активності синтезу ацетил-КоА-карбоксилази: 1,84- Регуляція на рівні комплексу синтетази жирних кислот Активність синтетазного комплексу (циклу Лінена) регулюється також як механізмами алостеричного контролю, так і механізмами ферментної індукції. Алостерична активація окремих ферментів мультиензимного комплексу здіиснюється за рахунок позитивного впливу фосфорильованих моносахаридів.

55.БІОСИНТЕЗ Триацилгліцероли (нейтральні жири) — ліпіди, що складають основну час¬тину харчових ліпідів та в найбільшій кількості представлені в адипоцитах жиро¬вої тканини, де вони виконують функцію резерву метаболічного палива. Кількість нейтральних жирів в організмі дорослої людини масою 70 кг дорівнює в середньому 10-15 кг. Крім жирової тканини, біосинтез триацилгліцеролів в обме¬женій кількості відбувається також в інших тканинах, зокрема печінці, кишечнику, молочній залозі в період лактації. Метаболічними попередниками в біосинтезі триацилгліцеролів є активовані жирні кислоти (ацил-КоА) та гліцерол-3-фосфат, що, в свою чергу, постачаються за рахунок окислення глюкози. Ферментативні реакції синтезу триацилгліцеролів 1,85- Утворення активованої форми гліцеролу — гліцерол-3-фосфату (а-гліце- рофосфату). Цей процес може відбуватися за одним із двох механізмів: 1,85- Шляхом фосфорилювання гліцеролу за участю ферменту гліцеролфосфо- кінази (див. також главу 14, розділ 14.3): гліцерол + АТФ ► гліцерол-3-фосфат + АДФ Шляхом відновлення діоксіацетонфосфату — інтермедіату гліколітичного розщеплення глюкози. Реакція каталізується НАДН-залежною гліцерол-3-фос- фат-дегідрогеназою (а-гліцерофосфатдегідрогеназою): 1,86- Ацилювання гліце- рол-3-фосфату з утворен¬ням фосфатидної кисло¬ти за рахунок двох моле¬кул активованих жирних кислот — ацил-КоА. Процес відбувається в два етапи: 3. Гідроліз фосфатидної кислоти до 1,2-діацил- гліцеролу (дигліцериду) за участю ферменту фосфа- тидат-фосфогідролази: 4. Ацилювання 1,2-діацилгліцеролу третьою молекулою ацил-КоА (фермент діацилгліцеролацилтрансфераза) з утворенням триацилгліцеролу.

Фосфогліцериди (гліцерофосфоліпіди) — фосфатидилхолін, фосфатидил- етаноламін, фосфатидилсерин і кардіоліпін належать до структурних ліпідів, що складають ліпідний матрикс біологічних мембран. Це — складні ліпіди, побудо-вані на основі гліцеролу, тому перші етапи їх біосинтезу є однаковими з розгляну¬тими вище ферментативними реакціями утворення триацилгліцеролів, а саме: гліцерин ► гліцерол-3-фосфат ► фосфатидна кислота Після утворення фосфатидної кислоти реакції синтезу триацилгліцеролів та фосфогліцеридів дивергують. Розглянемо схему синтезу найбільш поширених мембраннних фосфогліцеридів на прикладі утворення фосфатидилхоліну та фосфатидилетаноламіну. У разі біосинтезу зазначених фосфогліцеридів до 1,2-діацилгліцеролу, що утворюється в результаті гідролізу фосфатидної кислоти, приєднується гідрофільна голівка, яка містить аміноспирт (холін або етаноламін). Особливістю процесу є використання в реакції активованих форм аміноспиртів — комплексів холіну (СН3)3К-СН2-СН2-ОН + АТФ ► (СН3)3^_СН2— СН2— О-(?)+ АДФ Холін Фосфохолін (етаноламіну) з нуклеозиддифосфатом ЦДФ, які утворюються за рахунок таких реакцій: 1,87- активації холіну (етаноламіну) шляхом АТФ-залеж- ного фосфорилювання аміноспирту; 1,88- взаємодії фосфохоліну (або фосфоетаноламіну) з нуклеозидтрифосфатом ЦТФ з утворенням ЦДФ-холіну (ЦДФ-етаноламіну); взаємодії ЦДФ-холіну (ЦДФ-етаноламіну) з Адеиозйн ацилгліцеролом з утворенням фосфатидилхоліну (фос- СН3 фатидилетаноламіну).

56.МЕТАБОЛІЗМ СФІНГОЛІПІДІВ... Сфінголіпіди — складні ліпіди біологічних мембран, що побудовані на основі високомолекулярного спирту сфінгозину. Ці ліпіди — сфінгомієліни та гліко- сфінголіпіди в найбільшій кількості наявні в структурах центральної та перифе¬ричної нервової системи, зокрема в мієлінових оболонках нервів. Катаболізм сфінголіпідів здійснюється шляхом послі¬довного розщеплення їх мо¬лекул за участю лізосомальних гідролаз. 1,89- Сфінгомієліни розщеп¬люються до цераміду та фос- фохоліну за участю сфінго- мієлінази: сфінгомієлін ► церамід + + фосфохолін 1,90- Глікосфінголіпіди. Роз¬щеплення глікосфінголіпідів починається із поступового відщеплення моносахарид- них залишків від олігосаха- ридного кінця молекул. 1,91- Найбільш поширеними є такі сфінголіпідози: 1,92- Хвороба Німана-Піка — сфінголіпідоз, спричинений порушенням синтезу сфінгомієлінази, що супроводжується накопиченням у головному мозку, селезінці та печінці хворих сфінгомієліну. Хвороба призводить до затримки психічного розвитку та смерті в ранньому дитячому віці. 1,93- Хвороба Тея-Сакса (гангліозидоз GM2) — генетична хвороба, спричинена де¬фектом у синтезі гексозамінідази, що відщеплює термінальний К-ацетилгалак- тозамін від гангліозиду GM2, який в аномальних кількостях накопичується в головному мозку. Хвороба проявляється затримкою розумового розвитку, сліпо¬тою, неврологічними розладами, макроцефалією; смерть хворих дітей звичайно настає у віці 3-4 років. Цей сфінголіпідоз найбільш поширений серед етнічних євреїв — вихідців із Центральної та Східної Європи, де частота хвороби, зокрема в популяції єврейського населення США, досягає 1 випадку на 3600 ново¬народжених. 1,94- Гангліозидоз GM1 — сфінголіпідоз, що спричиняється порушенням синтезу лізосомальної $-галактозидази, яка відщеплює термінальний залишок галактози в гангліозиді GM1 і кератансульфатах (таблиця 13.3) із накопиченням у нервовій системі відповідних сполук. За клінічною картиною гангліозидоз — хвороба, близька до хвороби Тея-Сакса. 1,95- Хвороба Гоше (глюкоцереброзидний ліпідоз) — сфінголіпідоз, генетичний дефект при якому полягає в недостатньому синтезі глюкоцереброзидази — фер¬менту, що відщеплює залишок глюкози від молекул глюкоцереброзидів, які накопи¬чуються в ретикулоендотеліальній системі. Патологія має поліморфну клінічну картину і проявляється спленомегалією, збільшенням печінки, ураженням кісткової тканини, нейропатіями.

57.БІОСИНТЕЗ ХОЛЕСТЕРИНУ... Холестерин — стероїд, що виконує важливі структурні та регуляторні функції, входячи до складу біомембран та виступаючи попередником у синтезі фізіологічно активних сполук різних класів. Джерелами холестерину для організму людини є його біосинтез і надходження з продуктами харчування тваринного походження. Усього за добу в організмі дорослої людини синтезується в середньому від 0,5 до 1,0 г холестерину, з їжею надходить 0,3-0,5 г (в деяких випадках — до 1,0-1,2 г) холестерину. З

Ферментативні реакції синтезу холестерину

1,96- Біосинтез холестерину відбувається в цитозолі клітин і його перші етапи поляга¬ють в утворенні з ацетил-КоА Р-гідрокси-Р-метилглутарил-КоА (Р-ГОМК) за механізмами, що були розглянуті в главі 14ацетил-КоА ► ацетоацетил-КоА ► Р-ГОМК В разі вступу Р-ГОМК на метаболічний шлях біосинтезу холестерину відбуваються такі біохімічні реакції: 1,97- Відновлення Р-ГОМК з утворенням мевалонової кислоти. Реакція каталі¬зується НАДФН-залежною Р-ГОМК-редуктазою: 1,98- Утворення з мевалонової кислоти ізопреноїдних одиниць. Процес відбувається в декілька стадій і включає в себе: 1,98- Активацію мевалонату за участю АТФ з утворенням пірофосфомевалонової кислоти: 1,98- Декарбоксилювання пірофосфомевалонату з утворенням ізопентеніл- пірофосфату (“активного ізопрену”) та його ізомерної форми — 3,3-диметил- алілпірофосфату: Конденсація п’ятивуглецевих (5 С) пірофосфорильованих ізопренів з утворен¬ням тридцятивуглецевого (30 С) вуглеводню терпенової структури—сквалену (С30Н50). Циклізація ізопреноїдного лінійного вуглеводня сквалену з утворенням сте¬роїдних молекул (похідних циклопентанпергідрофенантрену). Попередником холестерину є циклічний вуглеводень ланостерин: Регуляція біосинтезу холестерину Лімітуючим етапом у процесі біосин¬тезу холестерину є реакція утворення мевалонату з Р-Г0МК, що каталізується Р-Г0МК-редуктазою. Гальмування швид¬кості процесу здійснюється за принципом негативного зворотного зв’язку, коли нако¬пичення кінцевого продукту анаболічного шляху—холестерину зменшує швидкість його утворення. Інгібітором ферменту є холестерин або холестериновмісний ліпопротеїн ЛПНЩ (див. нижче). Відповідно до таких механізмів, споживання холестерину з їжею гальмує його утворення в печінці, а безхолестеринова дієта, навпаки, активує ендогенний синтез холестерину в гепатоцитах.

58.БІОТРАНСФОРМАЦІЯ ХОЛЕСТЕРИНУ Холестерин, що синтезувався в організмі, або надійшов із продуктами хар¬чування, підлягає численним метаболічним перетворенням — біотрансформації, в результаті чого утворюються біологічно активні сполуки стероїдної природи, а також створюються умови для екскреції надлишків стеролу. Етерифікація холестерину Переважна частина холестерину тканин і близько 65 % холестерину плазми етерифіковано вищими жирними кислотами в положенні С-3. Синтез ефірів холестерину в плазмі крові та в клітинах відбувається за різними механізмами. 1,99- Зовнішньоклітинна етерифікація холестерину здійснюється ферментом лецитин (фосфатидилхолін)-холестерин-ацилтрансферазою (ЛХАТ) плазми. ЛХАТ каталізує реакцію перенесення ацильного залишку з 2-го (Р-) положення фосфатидилхоліну на гідроксильну групу холестерину: холестерол + фосфатидилхолін ► холестерол-ефір + лізофосфатидилхолін Для етерифікації холестерину використовуються ненасичені жирні кислоти: лінолева С182 (переважно) та олеїнова С181. Найбільш активно реакція відбувається в ліпопротеїнах крові ЛПВЩ (див. розділ 16.3). 1,100- Внутрішньоклітинна етерифікація холестерину перебігає за участю ацил- КоА-холестерин-ацилшрансферази (АХАТ): 1,101- Шляхи біотрансформації холестерину 1,102- Біотрансформація холестерину в інші біологічно активні сполуки стероїдної природи здійснюється за рахунок введення в молекулу стеролу додаткових 1,103- гідроксильних груп та реакцій модифікації в бічному ланцюзі. Реакції окисного гідроксилювання стероїдів каталізуються ферментами монооксигеназами (оксигеназами мішаної функції). 1,104- Сумарне рівняння процесу окисного гідроксилювання холестерину (ИН), який відбувається при синтезі його біологічно активних похідних, Біосинтез жовчних кислот. У гепатоцитах холестерин перетворюється на жовчні кислоти — важливі ком¬поненти жовчі, що беруть участь у перетравленні харчових жирів у кишечнику людини і тварин. Жовчні кислоти є гідроксильова- ними похідними холанової кислот Першим етапом у біосинтезі жовч¬них кислот є 7а-гідроксилювання холестерину, що каталізується фер¬ментом мембран ендоплазматичного ретикулума 7а-гідроксилазою, який є однією з ізоформ цитохрому Р-450 та функціонує за участю НАДФН, кисню та вітаміну С (аскорбінової кислоти). 7а-Гідроксилаза — регуляторний фермент, що є активним у фосфо- рильованій і малоактивним — в де- фосфорильваній формі. Жовчні кислоти — кінцеві продукти цього метаболічного шляху — пригнічують активність ферменту за принципом негативного зворот¬ного зв’язку. Основним, щодо кількості, представником жовчних кислот у жовчі людини є холева кислота, яка бере участь в емульгуванні жирів у кишечнику у вигляді натрієвої та калієвої солей її кон’югованих форм — глікохолевої та таурохолевої кислот. Глікохолат і таурохолат містять в своїй структурі гідрофільні (радикали гліцину та таурину) та гідрофобні (стероїдне ядро) молекулярні групи, і завдяки своїй амфіпатичній будові є високоактивними детергентами, що необхідні для емульгування жирів у кишечнику. Біосинтез вітаміну Б3. Перетворення холестерину у вітамін D3 — холекальциферол — потребує роз¬щеплення кільця циклопентанпергідрофенантрену з утворенням провітаміну D3, який підлягає реакціям окисного гідроксилювання з утворенням біологічно актив¬ної форми вітаміну — 1,25-дигідроксихолекальциферолу (кальцитріолу).

59.ЦИРКУЛЯТОРНИЙ ТРАНСПОРТ ТА ДЕПОНУВАННЯ ЛІПІДІВ..Ліпопротеїнліпаза Ліпопротеїнліпаза — ферментний білок, адсорбований на глікозамінгліканах поверхні ендотелію і має центр зв’язування ліпопротеїнів крові та каталітичний центр гідролізу триацилгліцеролів. Під дією ліпопротеїнліпази утворюються вільні жирні кислоти та гліцерин, що проникають через судинну стінку всередину клітин, де окислюються з вивільненням енергії (в міоцитах тощо) або депону¬ються у вигляді резервних триацилгліцеролів (в адипоцитах жирової тканини). Ліпопротеїни, що утворюються внаслідок деліпідизації ХМ та ЛПДНЩ — залишкові, або ремнантні (remnant — залишок, англ.) ліпопротеїни, збагачені (порівняно з ХМ та ЛПДНЩ) вільним та етерифікованим холестеролом. РАНСПОРТ ТА ДЕПОНУВАННЯ ЛІПІДІВ. ЛІПОПРОТЕЇНИ ПЛАЗМИ. ГІПЕРЛІПОПРОТЕЇНЕМІЇ Із продуктами харчування до організму людини надходять ліпіди різних класів, а саме: триацилгліцероли (що складають основну масу харчових жирів); вільний холе¬стерин та його ефіри з жирними кислотами (холестериди); складні ліпіди (переважно гліцерофосфоліпіди). Детально біохімічні механізми перетравлення ліпідів різних класів у шлунково- кишковому тракті людини будуть подані в главі 26. У даному розділі розглянемо основні процеси, що стосуються біотранспорту триацилгліцеролів та холестерину, який починається з абсорбції цих ліпідів слизовою оболонкою кишечника. Пі д дією панкреатичної ліпази та за участю жовчних кислот, які виробляються в печінці, триацилгліцероли продуктів харчування розщеплюються з утворенням моноацилгліцеролів (моногліцеридів) та двох молекул вільних жирних кислот,з азначені продукти гідролізу (вищі жирні кислоти, моногліцериди) абсорбу¬ються клітинами слизової оболонки тонкої кишки (ентероцитами). Холестерин продуктів харчування всмоктується у вільному стану, холестериди — після відповідного гідролізу холестеролестеразою.

60.ліпопротеїнИ плазми крові

Основні класи ліпопротеїнів плазми крові:

1,105- хіломікрони (ХМ); 1,106- ліпопротеїни дуже низької щільності (ЛПДНЩ), або пре-Р-ліпопротеїни; 1,107- ліпопротеїни проміжної щільності (ЛППЩ); 1,108- ліпопротеїни низької щільності (ЛПНЩ), або Р-ліпопротеїни; 1,109- ліпопротеїни високої щільності (ЛПВЩ), або а-ліпопротеїни. Зазначені класи ліпопротеїнів розрізняються за своїми фізико-хімічними харак¬теристиками (табл. 16.1), біохімічним (ліпідним, білковим) складом та фізіоло¬гічними функціями. За своєю молекулярною бу¬довою ліпопротеїни плазми крові — це кулеподібні струк¬тури — міцели, всередині яких міститься гідрофобна ліпідна серцевина (ядро), що склада¬ється переважно з триацилгліце- ролів та ефірів холестерину. Гідрофобне ядро вкрите шаром полярних амфіпатичних фосфо- ліпідів, периферичних та інтег¬ральних білків. Гіперліпопротеїнемії Гіперліпопротеїнемія — клініко-біохімічний синдром, при якому в плазмі крові людини спостерігається підвищення (порівняно з нормою для певної попу¬ляції) концентрації певних класів ліпопротеїнів, а також триацилгліцеролів та холестерину. За механізмом походження виділяють: 1,110- первинні (спадкові) гіперліпопротеїнемії, тобто такі, що спричинені генетич¬ними дефектами в синтезі певних ферментів обміну ліпідів крові (зокрема, ліпопротеїнліпази, холестерол-ацилтрансферази) або неферментних білків — порушеннями в синтезі певних апопротеїнів, рецепторів для апобілків та ліпопро- теїнів (зокрема ЛПНЩ); 1,111- вторинні (набуті) гіперліпопротеїнемії— гіперліпопротеїнемії, що розвива¬ються внаслідок певних хвороб внутрішніх органів (гепатит, цироз печінки, неф¬роз), ендокринопатій (порушення функції щитовидної залози, статевих залоз, цук¬ровий діабет), дії пошкоджуючих факторів середовища (хронічний алкоголізм).

61. ПАТОЛОГІЯ ЛІПІДНОГО ОБМІНУ: АТЕРОСКЛЕРОЗ, ОЖИРІННЯ, ЦУКРОВИЙ ДІАБЕТ Атеросклероз — хвороба, головним проявом якої є відкладання в судинних стінках ліпідних утворень — “бляшок”, основними біохімічними компонентами яких є холестерин та його ефіри. Навкруги ліпідних бляшок в інтимі судин виникає клітинна реакція, що включає в себе утворення фіброзної тканини та проліфе¬рацію гладенько-м’язових клітин. Атеросклеротичні бляшки спричиняють зву¬ження кровоносних судин, посиленне згортання крові в ділянках їх локалізації та, як результат, порушення кровопостачання відповідних органів і тканин. Як наслідок атеросклерозу розвиваються ішемічна хвороба серця, інфаркт міокарда й порушення церебрального кровообігу, що стають важливою причиною смерті людей дорослого та похилого віку. Біохімічною основою розвитку атеросклерозу є підвищена концентра¬ція в крові людини холестерину—гіперхолестеринемія, спричинена різними факторами — дієтарними, ендокринними, генетичними. Ожиріння — стан, що характеризується надмірним накопиченням у жировій тканині триацилгліцеролів. При ожирінні збільшується кількість жирових клітин (адипоцитів) або їх розмір. Загальна маса нейтральних жирів в організмі людини за умов ожиріння може досягати значних кількостей. За даними американських лікарів, надлишкова вага, спричинена ожирінням, спостерігається в США у 24 % чоловіків та 27 % жінок. Порушення ліпідного обміну, що відбувається при ожи¬рінні, часто поєднуються з наявністю у хворого атеросклерозу та/або цукрового діабету. Ожиріння розвивається внаслідок перевищення надходження та біосинтезу в тканинах нейтральних жирів (та інших біомолекул, які можуть перетворюватися в жири) над реальними енергетичними потребами організму в цих видах мета¬болічного палива. Найбільш несприятливе значення для розвитку ожиріння має постійне надмірне надходження з продуктами харчування вуглеводів (особливо глюкози та фруктози) в кількостях, більших за ті, що безпосередньо окислюються в клітинах і можуть депонуватися у вигляді резервів глікогену Цукровий діабет традиційно розглядається як патологія, що первинно по¬в’язана з порушеннями вуглеводного обміну. Дійсно, найбільш характерним біохімічним проявом різних типів цукрового діабету в клініці є гіперглікемія (гіпер- глюкоземія), яка розвивається внаслідок втрати специфічного впливу інсуліну на проникність клітинних мембран для глюкози. Але метаболічні ефекти інсуліну розповсюджуються на багато аспектів обміну глюкози, ліпідів та амінокислот, у зв’язку з чим цукровий діабет є хворобою, при якому відбуваються глибокі пору¬шення не тільки вуглеводного, але й ліпідного та білкового обмінів.

62.ПУЛ ВІЛЬНИХ АМІНОКИСЛОТ О ОРГ... ШЛЯХИ ПЕРЕТВОРЕННЯ АМІНОКИСЛОТ У ТКАНИНАХ Подібно до інших біомолекул, білки, які входять до складу живого організму, знаходяться в стаціонарному стані постійного оновлення відбуваються роз¬щеплення їх тканинними протеазами та синтез нових поліпептидних молекул. Загальний пул амінокислот у тілі людини складається з потоків, які забезпе¬чують надходження вільних амінокислот та їх використання в різноманітних анаболічних та катаболічних процесах. Потік амінокислот, що входить до амінокислотного пулу, складається з таких джерел: 1,112- Амінокислот, які всмоктуються ентероцитами кишечника внаслідок гід¬ролізу харчових білків у травному каналі (шлунку, тонкому кишечнику); біохімічні процеси протеолізу білків у травному каналі будуть розглянуті окремо. Кількісне значення цієї складової становить (залежно від характеру харчування) 60-100 г на добу. Додаткову компоненту в цей потік (від 35 до 200 г білка) вносить протеоліз ендогенних білків з епітелію ентероцитів, що злущується (І.Иаїкетзїоп, 1988). Амінокислот, які вивільняються в результаті розщеплення власних клітинних і позаклітинних білків. Середня тривалість напівжиття (Т1/2) в індивідуальних білків значно варіює, становлячи від декількох годин для певних ферментів гепатоцитів до декількох років для структурного білка колагену. Амінокислот, які синтезуються в організмі. Організм людини має обмежені можливості щодо утворення амінокислот de novo: його ферментні системи здатні синтезувати з інших інтермедіатів в кількості, достатній для синтезу власних білків, лише вісім “замінних” (“ненеобхідних”,”несуттєвих”—nonessential, англ.) L-амінокислот. Потік амінокислот, що виходить з амінокислотного пулу, включає анабо- лічні і катаболічні шляхи перетворення вільних амінокислот і складається з таких компонентів: 1,113- Використання амінокислот для синтезу білків організму. Цей потік у дорос¬лих людей, що споживають збалансовану дієту, забезпечує покриття протеолізу власних білків — стан азотистої рівноваги. Для синтезу власних ферментних, структурних білків та фізіологічно активних сполук білкової і пептидної природи (на анаболічні потреби) використовується близько 75-80 % амінокислот, що ви¬вільняються при розщепленні тканинних білків, та амінокислот, які надходять із кишечника. Використання амінокислот, які не включені в анаболічні процеси, в катабо- лічних реакціях. При цьому молекули амінокислот розщеплюються з утворенням діоксиду вуглецю, води (через цикл лимонної кислоти) та кінцевих продуктів азотистого обміну (у людини — переважно сечовини). Певна частина безазотис- того вуглецевого скелета амінокислот використовується для утворення глюкози (глюконеогенезу) та кетонових тіл (кетогенезу).

63. ТРАНСАМІНУВАННЯ АМІНОКИСЛОТ Реакції трансамінування полягають у переносі а-аміно- групи від амінокислоти на а-вуглецевий атом а-кето- кислоти — акцептора аміно¬групи (здебільшого — а-кето- глутарату); в результаті реак¬ції утворюється а-кетоаналог вихідної амінокислоти та нова амінокислота (в разі викорис¬тання як акцептора а-кето- глутарату — L-глутамат): Ферменти, що каталізують реакції трансамінування, — амінотрансферази Механізм дії амінотрансфераз Амінотрансферази є складними білками-ферментами, простетичною групою в яких є коферментні форми вітаміну В6 (піридоксину, піридоксолу) — піридок- сальфосфат (ПАЛФ) та піридоксамінфосфат (ПАМФ), що утворюється з ПАЛФ у процесі переносу аміногрупи. Утворення коферменту з вітаміну В6, що надходить в організм із продуктами харчування, відбувається шляхом фосфорилювання піридоксолу до піридоксол- фосфату (ПОЛФ) за дії АТФ-залежної кінази з подальшим окисленням ПОЛФ до ПАЛФ специфічним флавопротеїном. У складі ферменту амінотрансферази кофермент (ПАЛФ) сполучений з полі- пептидним ланцюгом за рахунок утворення альдімінногозв'язку (основи Шиффа) з є-аміногрупою залишку лізину ^ув-258). У процесі каталітичного акту трансамінування відбувається циклічне перетворення ПАЛФ на ПАМФ: Біохімічне значення трансамінування суттєво відрізняється в різних органах. У печінці роль трансамінувавання полягає в його колекторній функції, тобто збиранні аміногруп від різних амінокислот переважно в одній молекулярній формі—у вигляді L-глутаміновоï кислоти. Біохімічний сенс такого процесу поля¬гає в тому, що саме L-глутамат є основним субстратом реакцій дезамінування, тобто постачальником аміногруп на метаболічний шлях утворення сечовини — кінце¬вого продукту азотистого катаболізму. У м ’язах спрямованість реакцій трансамінування призводить до утворення значної кількості аланіну (за рахунок переамінування амінокислот з піруватом), що виділяється в кров’яне русло і поглинається гепатоцитами; в печінці аланін знову перетворюється на піруват, який використовується в глюконеогенезі (глю- козо-аланіновий цикл 64. ДЕЗАМІНУВАННЯ АМІНОКИСЛОТ У клітинах людини і тварин найбільш активно дезамінується L-глутамінова кислота; процес відбувається за механізмом окислювального дезамінування, згідно з рівнянням: Перший етап—утворення а-іміноглутарату—каталізується ферментом НАД- залежною глутаматдегідрогеназою, що локалізована в мітохондріях; другий етап — утворення а-кетоглутарату—є неферментативним. а-Кетоглутарат, що утворився, окислюється в циклі трикарбонових кислот, а аміак поглинається ферментативною системою синтезу сечовини. Зворотний процес — відновлювальне амінування а-кетоглутарату до Ь-глута- мату — може перебігати в цитозолі при участі цитозольної НАДФ-залежної глутаматдегідрогенази і бути допоміжним механізмом зв’язування аміаку. Непряме дезамінування L-aмiнoкucлom Оскільки Ь-глутамат є амінокислотою, що утворюється при трансамінуванні більшості Ь-амінокислот, течія Ь-глутаматдегідрогеназної реакції є центральним біохімічним механізмом, завдяки якому здійснюється дезамінування більшо сті вільних амінокислот і утворюється основна кількість аміаку в тваринному організмі.

65.декарбоксилювання амінокислот полягає у відщепленні діоксиду вуглецю від молекули амінокислоти з утворенням амінів (біогенних амінів), значна частина яких має високу фізіологічну активність як гормони, нейромедіатори, є їх попередниками або метаболітами:

Реакція каталізується ферментами — декарбоксилазами амінокислот, коферментом яких є піридоксальфосфат, що в ході каталітичного акту утворює з амінокислотами шифові основи, подібні до розглянутих в реакціях транс- амінування. Декарбоксилази амінокислот є стерео специфічними ферментами, що діють тільки на L-стереоізомери. Декарбоксилюванню можуть підлягати як ациклічні, так і циклічні аміно¬кислоти; в сечі людини знайдено близько сорока біогенних амінів. Фізіологічне значення декарбоксилювання амінокислот 1. Утворення фізіологічно активних сполук — гормонів, медіаторів. 1,114- Катаболізм амінокислот у процесі гниття білків у кишечнику. Процеси декарбоксилювання амінокислот активно перебігають у порожнині товстої кишки під дією ферментів мікроорганізмів, що є компонентами нор¬мальної мікрофлори травного тракту людини (“бактеріальне гниття білків у кишечнику”). Окислення біогенних амінів Накопичення біогенних амінів в організмі спричиняє несприятливі патофізіо¬логічні зміни з боку серцево-судинної системи, кишечника, інших гладенько- м’язових органів. Знешкодження (детоксикація) фізіологічно активних амінів відбувається в клітинах печінки при участі моноамінооксидази мітохондрій — ФАД-залежного ферменту, що спричиняє окислювальне дезамінування амінів до альдегідів:

66. Шляхи утворення аміаку в організмі людини 1,115- Головним у кількісному відношенні джерелом накопичення аміаку в організмі людини є окислювальне дезамінування амінокислот, тобто білковий катаболізм: азот сечовини — кінцевого азотовмісного продукту деградацію біл¬ків — складає близько 90 % всього азоту, що екскретується. Додатковими джере¬лами ендогенного аміаку є реакції дезамінування біогенних амінів, азотистих основ, які утворюються при катаболізмі нуклеотидів. Значна кількість вільного аміаку всмоктується в кров із системи ворітної вени (у.рогіа) внаслідок його утво¬рення при катаболізмі азотовмісних біоорганічних сполук (головним чином, білків продуктів харчування) кишковими бактеріями. 1,116- Утворення аміаку в головному мозку Основним джерелом утворення аміаку в тканині головного мозку є реакція гідролітичного дезамінування АМФ до інозинмонофосфату (ІМФ), що каталі¬зується ферментом аденозиндезаміназою: АМФ + ^О ► ІМФ + ]ЧТН3 Аміак, що вивільняється, знешкоджується в результаті глутамінсинтетазної реакції, утворюючи з Ь-глутамату глутамін, який виводиться з головного мозку (див. нижче). Механізми знешкодження аміаку Висока токсичність аміаку призвела до формування в еволюції тваринних організмів спеціальних біохімічних механізмів його знешкодження. Залежно від молекулярної форми, у вигляді якої екскретуються кінцеві продукти азотистого (амінного) катаболізму, існує три типи тваринних організмів: 1,117- амоніотелічні організми—такі, що виводять амінний азот у вигляді розчин¬ного іону амонію (до них належить більшість хребетних, що мешкають у воді); 1,118- урикотелічні організми — такі, що виводять амінний азот у вигляді сечової кислоти (птахи, наземні рептилії); .) уреотелічні організми — основним продуктом знешкодження та екскрету- вання аміаку у яких є сечовина (більшість наземних хребетних, включаючи ссавців, зокрема організм людини). Біосинтез сечовини відбуваєтья виключно в печінці. Додатковим механізмом детоксикації аміаку у місцях утворення є його зв’язування у формі глутаміну за участю глутамінсинтетази.

67. БІОСИНТЕЗ сечовини Утворення з аміаку та діоксиду вуглецю за участю АТФ карбамоїлфосфату еакція каталізується карбамоїлфосфатсинтетазою. Джерелом аміногрупи (у вигляді молекули аміаку) є глутаматдегідрогеназна реакція. 1,119- Перенесення карбамоїльної групи на орнітин з утворенням цитруліну (фер¬мент — орнітин-карбамоїлтрансфераза): карбамоїлфосфат + орнітин ►цитрулін + Н3Р04 1,120- Акцептування другої аміногрупи шляхом взаємодії цитруліну з Ь-аспар- татом (фермент — аргініно-сукцинатсинтетаза): 1,121- 4. Розщеплення аргі- ніносукцинату при дії ферменту аргініно-сук- цинатліази; продуктами реакції є аргінін — без¬посередній попередник сечовини та фумарат: аргініносукцинат ► 1,122- ► аргінін + фумарат 1,123- 5. Гідроліз аргініну при дії ферменту аргінази з утворенням сечовини та регенерацією орнітину (завершення метаболіч¬ного циклу): 1,124- Генетичні дефекти ферментів синтезу сечовини 1,125- Існують спадкові ензимопатії, спричинені повним або частковим дефектом утворення в печінці окремих ферментів циклу сечовиноутворення. Найбільш важкими клінічними проявами характеризуються порушення синтезу карбамоїл- фосфатсинтетази та орнітинкарбамоїлтрансферази. Діти з такими генетич¬ними дефектами страждають вираженою енцефалопатією, прояви якої дещо послаблюються в умовах повного виключення споживання харчових білків.

68.ЗАГАЛЬНІ ШЛЯХИ МЕТАБОЛІЗМУ ВУГЛЕЦЕВИХ СКЕЛЕТІВ Глюкогенні амінокислоти L-Амінокислоти, що метаболізуються в циклі трикарбоиових кислот (рис. 18.1), можуть включати свої вуглецеві скелети в молекули глюкози. Ці амінокислоти, використання яких у синтезі глюкози реалізується після їх входження в ЦТК через ацетил-КоА, а-кетоглутарат, сукциніл-КоА та фумарат, отримали назву глюкогенних амінокислот. Кетогенні амінокислоти Дві L-амінокислоти включаються в катаболізм тільки через ацетоацетил-КоА, який у клітинах печінки може перетворюватися на кетонові тіла ацетоацетат та Р-гідроксибутират. Це — кетогенні амінокислоти. Деякі амінокислоти віддають свої вуглецеві фрагменти на утворення як глюкози, так і кетонових тіл ункти окислення амінокислот у цитратному циклі Завдяки економічності біологічного обміну речовин, специфічні біохімічні шляхи катаболізму окремих двадцяти природних амінокислот конвергують з утворенням лише п’яти молекулярних продуктів — біомолекул, що вступають у цикл трикарбонових кислот, повністю окислюючись до діоксиду вуглецю та води. Цими продуктами є: ацетил-КоА, а-кетоглутарат, сукциніл-КоА, фумарат, оксалоацетат (рис. 18.1). 1,126- Ацетил-КоА — утворюється при катаболізмі десяти амінокислот, серед яких: 17. п’ять амінокислот (аланін, цистеїн, серин, треонін, гліцин) розщеплюються до ацетил-КоА через піруват; 18. п’ять амінокислот (фенілаланін, тирозин, лейцин, лізин, триптофан) розщеп¬люються до ацетил-КоА через ацетоацетил-КоА. Частина вуглецевого скелета лейцину та триптофану, а також ізолейцину перетво¬рюється на ацетил-КоА безпосередньо; частина молекули ізолейцину перетворюється на сукциніл-КоА. 1,127- а-Кетоглутарат — утворюється при катаболізмі п’яти амінокислот — глутамату, глутаміну, аргініну, гістидину, проліну. Вступ чотирьох із цих амінокислот в ЦТК відбувається через їх перетворення на глутамат. 1,128- Сукциніл-КоА—утворюється при катаболізмі трьох амінокислот—ізолейцину, валіну, метіоніну (частина молекули ізолейцину, як зазначено вище, перетворюється в ацетил-КоА). 1,129- Фумарат—утворюється при катаболізмі фенілаланіну та тирозину; вуглецеві скелети цих амінокислот утворюють два метаболіти ЦТК — ацетил-КоА (через ацетоацетил-КоА) та фумарат. 1,130- Оксалоацетат—утворюється при катаболізмі аспартату та аспарагіну; аспартат перетворюється в оксалоацетат через реакцію трансамінування.

69. БІОСИНТЕЗ креатину Креатин—азотиста сполука, яка у вигляді креатинфосфату має важливе значення в енергозабезпеченні функції м’язів. Біосинтез креатину відбувається за участю амінокислот гліцину, аргініну та метіоніну. Процес синтезу складається з двох стадій: ша стадія — відбувається в нирках і полягає в утворенні глікоціаміну (гуані- динацетату) із аргініну та гліцину (фермент гліцинамідинотрансфераза) а стадія — відбувається в печінці, куди глікоціамін надходить з током крові, і полягає в метилюванні глікоціаміну до креатину за участю Б-аденозилметіоніну (фермент гуанідинацетатметилтрансфераза): Фосфорилювання креатину при дії креатинфосфокінази генерує креатинфос- фат — джерело термінової регенерації АТФ при м’язовому скороченні. Незво- ротна неферментативна дегідратація і дефосфорилювання креатинфосфату призводить до утворення ангідриду креатину — креатиніну:

70.Глутатіон :БУДОВА ,БІОСИНТЕЗ ТА ... Глутатіон—трипептид у-глутамініл-цистешіл-гліцин, що має в своєму складі вільну сульфгідрильну групу: Глутатіон міститься в клітинах тваринного ор¬ганізму у високій кон¬центрації (близько 5 мМ). Глутатіон зворотно пере-творюється з відновленої (Г-БН) до окисленої (Г-Б- Б-Г) форми, відіграючи роль буфера БН-груп. Біохімічна функція глутатіону в організмі пов’язана з відновленням і детокси¬кацією органічних пероксидів — похідних пероксиду водню НО-ОН, у молекулі якого один (гідропероксиди) або обидва атоми водню (алкілпероксиди) заміщені на алкільні радикали: R-O-O-H R-O-O-R При взаємодії глутатіону з гідропероксидом утворюються нешкідливі органічні спирти, що підлягають подальшому окисленню: Реакція каталізується ферментом глутатіонпероксидазою, що містить в актив¬ному центрі атом селену (Бе). Сполуки, подібні глутатіону, що знешкоджують органічні пероксиди або проти¬діють їх утворенню, дістали назву антиоксидантів. Біологічно важливими антиоксидантами є а-токоферол (вітамін Е), аскорбінова кислота, урати.

71.СПЕЦІАЛІЗОВАНІ ШЛЯХИ МЕТАБОЛІЗМУ ... Обмін фенілаланіну та тирозину Особливістю метаболізму в тваринних організмах циклічних амінокислот фенілаланіну та тирозину є утворення з них численних фізіологічно активних сполук гормональної та медіаторної дії, а саме: катехоламінів (адреналіну, норад- реналіну), тиреоїдних гормонів, меланінів (рис. 18.3). 1,131- Шляхи метаболізму фенілаланіну 1,131- Катаболічний шлях обміну полягає у втраті фенілаланіном аміногрупи (в реакції трансамінування) з утворенням фенілпірувату та кінцевого метаболіту фенілацетату, що екскретується з організму. 1,131- Шлях синтезу фізіологічно активних сполук починається з перетворення фенілаланіну на тирозин при дії ферменту фенілаланінгідроксилази з подальшим перетворенням тирозину (див. нижче). 1,132- Шляхи метаболізму тирозину 2.1. Катаболічний шлях обміну полягає у трансамінуванні тирозину і перетворенні на р-оксифенілпіруват, який окислюється до гомогентизинової кислоти у складній реакції, коферментну роль у якій виконує аскорбінова кислота (вітамін С); подальші перетворення полягають в окисленні гомогентизату до фу- марилацетоацетату (фермент оксидаза гомогентизинової кислоти) та розщепленні фумарилацетоацетату до фумарату та ацетоацетату. 1,132- Шлях синтезу катехоламінів та меланінів (пігментів шкіри). Шлях почи¬нається з окислення тирозину за участю специфічної гідроксилази до 3,4-діокси- фенілаланіну (ДОФА), на рівні якого відбувається дивергенція двох обмінних шляхів: утворення катехоламінів (через декарбоксилювання до дофаміну) та меланінів (через окислення тирозиназою до дофахінону). 1,132- Шлях синтезу тиреоїдних гормонів — реалізується в клітинах щитовидної залози і полягає в утворенні йодованих тиронінів.

72. Спадкові ЕНЗИМОПАТІЇ ОБМІНУ ЦИКЛІЧНИХ.... Спадкові порушення обміну циклічних амінокислотФенілкетонурія — ензимопатія, спричинена генетичним дефектом синтезу фенілаланінгідроксилази. Внаслідок блокування утворення тирозину з фенілала¬ніну останній в збільшеній кількості надходить на шлях утворення фенілпірувату та фенілацетату, які в надмірних концентраціях накопичуються в організмі хворих. Концентрація фенілаланіну в крові хворих зростає в десятки разів, досягаючи 100-800 мг/л (норма —10-40 мг/л). Патологія проявляє себе ранніми порушеннями психічного розвитку дитини —фенілпіровиноградна олігофренія (oligophrenia phenylpyruvica). Альбінізм — ензимопатія, біохімічною основою якої є спадкова недостатність ферменту тирозинази, що каталізує реакції, необхідні для утворення чорних пігментів меланінів. Відсутність меланінів у меланоцитах шкіри проявляється недостатньою (або відсутньою) пігментацією шкіри та волосся, підвищеною чутливістю шкіри до сонячного світла, порушенням зору.

73. Обмін ЦИКЛІЧНОЇ АМІНОКИСЛОТИ L-Tриптофан є незамінною амінокислотою для організму людини та вищих тварин у зв’язку з відсутністю ферментних систем синтезу його вуглецевого скелета. Разом з тим, триптофан є попередником у біосинтезі таких фізіологічно активних сполук, як речовина гормональної і медіаторної дії серотонін та ніко¬тинова кислота (вітамін РР), який синтезується в тваринному організмі у формі НАД. Існують два основні біохімічні шляхи перетворення триптофану (рис. 18.4): 1,133- кінуреніновий шлях, за яким метаболізується понад 95 % ендогенного трип¬тофану; 1,134- серотоніновий шлях, що складає в кількісному відношенні близько 1% за¬гальної кількості триптофану в організмі. 19. Вступ триптофану на серотоніновий шлях починається з гідроксилювання амінокислоти до 5-окситриптофану, який після декарбоксилювання перетворю¬ється на серотонін. В організмі людини серотонін підлягає окислювальному дезамінуванню з утворенням оксііндолоцтової кислоти, яка виділяється з сечею. Екскреція оксі- індолацетату значно збільшена при карциноїдному синдромі, коли за серото- ніновим шляхом перетворюється до 60 % триптофану. 20. Катаболізм триптофану кінуреніновим шляхом починається з окислення триптофану при дії гемвмісного ферменту триптофанпіролази до формілкіну- реніну, який після відщеплення мурашиної кислоти перетворюється на кінуренін та 3-оксикінуренін. Подальші перетворення 3-оксикінуреніну пов’язані з дією ПАЛФ-залежного ферменту кінуренінази, яка розщеплює цей інтермедіат до аланіну та 3-оксіантранілової кислоти. 3-Оксіантранілова кислота — метаболіт, що після складних багатоступеневих перетворень призводить до хінолінової кислоти — попередника в синтезі нікотинаміду у формі коферменту НАД.

74. МЕТАБОЛІЗМ ПОРФІРИНІВ Порфірини та їх комплекси з металами — металопорфірини — є простетич- ними групами багатьох гемопротеїнів — білків, які беруть участь в окислювально- відновлювальних реакціях у тваринних та рослинних клітинах. Представниками гемопротеїнів, що містять металопорфіринові групи, є Fe2+-вмісні гемоглобін (О2 — транспортуючий білок еритроцитів) і міоглобін (О2 — запасаючий білок м’язів), ^е2+^е3+)- та (Си1+-Си2+)-вмісні цитохроми, ^е2+^е3+)-вмісні ферменти каталаза, пероксидази, триптофанпіролаза, Mg2+-вмісний хлорофіл рослин. До складу гему кисеньзв’язуючих білків організму людини — гемоглобіну, міоглобіну та цитохромів дихальних ланцюгів входить порфірин, що позначається як протопорфірин III (за старою номенклатурою Фішера цей порфірин класифі¬кувався як протопорфірин IX— номенклатурне позначення, що використовуєть¬ся і в даний час).

75.Спадкові порушення обміну порфіринів Основними клінічними проявами порфірій є підвищення чутливості до світла та неврологічні порушення. Залежно від основного місця прояву специфічного ферментного дефекту, розрізняють еритропоетичні та печінкові порфірії. Еритропоетична порфірія (хвороба Гюнтера) — патологія, зумовлена пору¬шенням синтезууропорфіриноген ІІІ-косинтази. В результаті цього біохімічного дефекту відбувається утворення нефізіологічного ізомера уропорфіриногену — уропорфіриногену І. Для захворювання характерна забарвленість в червоний колір сечі (в деяких випадках також кісток та зубів), зумовлена накопиченням нирками уропорфіриногену І, який у сечі перетворюється на уропорфірин І. Печінкові порфірії. Розрізняють декілька типів печінкових порфірій, харак¬терними проявами яких є неврологічні порушення, пов’язані з надмірним накопи¬ченням в організмі серотоніну внаслідок зниження синтезу гемвмісного ферменту триптофанпіролази. До найбільш поширених клінічних форм печінкових порфірій належать: 1,135- гостра мінлива порфірія (піролопорфірія)—захворювання, зумовлене дефек¬том ферменту уропорфіриноген-синтази (порфобіліногендезамінази); 1,136- спадкова копропорфірія—ензимопатія, спричинена дефектом ферменту копро- порфіриногеноксидази.

76. Катаболізм гемоглобіну та обмін жовчних пігментів Гем, що входить до складу гемоглобіну, складає близько 80 % всього пулу гему організму. Протягом доби у людини масою 70 кг обмінюється (розщеплюється та синтезується знову) близько 6 г гемоглобіну. В процесі деградації гемопротеїну відбувається протеоліз його білкової частини, вивільнення іонів заліза, що реутилізуються для синтезу залізовмісних білків, та незворотний катаболізм пор- фіринового циклу гему, що призводить до утворення білірубіну (жовто-червоного пігменту жовчі) і білівердину (зеленого пігменту), які виводяться з організму. Процес катаболізму гемоглобіну та його порфіринової простетичної групи гему складається з наступних етапів. 1,137- Розрив тетрапірольного кільця гему (у складі гемоглобіну) шляхом окислю¬вального розщеплення метинового містка між I та II кільцями протопорфіринового циклу; в результаті реакції червоний пігмент еритроцитів гемоглобін перетворюється на зелений кров’яний пігмент вердоглобін (холеглобін) (див. с.464): Реакція каталізується ферментом НАДФН-залежною гемоксигеназою, 1,138- Жовчні пігменти (білірубін, білівердин) є продуктами катаболізму гемоглобіну еритроцитів та частково — інших гемовмісних білків. Руйнування еритроцитів та розщеплення гемоглобіну, який складає 90-95 % сухого залишку еритроцитів, відбувається в клітинах ретикулоендотеліальної системи органів та тканин людини — селезінці (переважно), купферовських клітинах печінки, кістковому мозку, гістіоцитах сполучної тканини.

77. Патобіохімія жовтяниць Перевищення концентрації загального білірубіну сироватки крові людини понад 1,139- 4 мг % проявляється характерною жовтуватістю шкіри та слизових оболонок (особливо склер очного яблука) і позначається як жовтяниця (icterus — лат.). Причинами виникнення гіпербілірубінемії і розвитку жовтяниць є надмірне утворення білірубіну в організмі, пошкодження печінки з порушенням її детокси- каційної та екскреторної функцій або наявність механічних перешкод в системі жовчовивідних шляхів, що протидіють нормальному виведенню жовчі в кишеч¬ник. Відповідно розрізняють декілька типів жовтяниць. Передпечінкова (гемолітична) жовтяниця — розвивається внаслідок пато¬логічно підсиленого руйнування (гемолізу) еритроцитів та розщеплення гемогло¬біну і надмірного накопичення в крові білірубіну. Причинами такого стану можуть бути резус-конфлікт у новонароджених, переливання несумісної крові, радіаційне ураження, дія гемотоксичних отрут тощо. (збільшення концентрації загального білірубіну) внаслідок таких причин: Післяпечінкова (обтураційна) жовтяниця—спричиняється неможливістю надходження жовчі в дванадцятипалу кишку внаслідок закупорки жовчних шляхів Ферментативні (спадкові) жовтяниці—виникають внаслідок генетичних ензимопатій, що спричинені порушеннями експресії генів, які відповідають за синтез у гепатоцитах ферментів кон’югації білірубіну (УДФ-глюкуронілтранс- ферази та/або УДФГ-дегідрогенази — ферменту, що утворює УДФГК з УДФ- глюкози), його абсорбції з крові або екскреції в жовч. Некон’югований білірубін, що накопичується в сироватці крові в надмірній кількості, за цих типів жовтяниць може проникати через гематоенцефалічний бар’єр в головний мозок і відкладатися в базальних гангліях та ядрах стовбура мозку, спричиняючи важкі неврологічні зрушення (“ядерні жовтяниці”).