Углеводы и их обмен

Лекция 6. Химическое строение и свойства углеводов

1. Общая характеристика и классификация углеводов

К углеводам относятся соединения, обладающие разнообразными и часто совершенно противоположными свойствами. Среди них есть вещества низкомолекулярные и высокомолекулярные, кристаллические и аморфные, хорошо растворимые в воде и совершенно в ней нерастворимые, способные окисляться и сравнительно устойчивые к действию окислителей.

Общая формула, характерная для подавляющего числа углеводов, С_n (Н₂О) _m

По химической природе углеводы делятся на:

моносахариды (простые сахара);

олигосахариды;

полисахариды.

Моносахариды содержат 3−8 атомов углерода и не подвергаются гидролизу с образованием простых углеводородов.

Олигосахариды — полимеры моносахаридов, которые содержат 2−10 остатка моносахаров.

Полисахариды — полимеры моносахаридов, которые содержат более 10 остатков моносахаров.

2. Строение, свойства и функции моносахаридов

Моносахариды делятся на следующие группы:

По количеству атомов углерода:

Триозы (3).

Тетрозы (4).

Пентозы (5).

Гексозы (6).

Гептозы (7).

Октозы (8).

По химическому строению:

Альдозы Кетозы Все моносахариды являются спиртами, либо альдегидоспиртами, либо кетоспиртами. В их молекулах, как правило, количество атомов углерода равно количеству молекул воды (т.е. m = n).

D-глюкоза (альдоза) D-фруктоза (кетоза) Альдозы и кетозы являются изомерами.

Основные химические свойства моносахаридов:

• 1. Мутаротация — переход аномера из одной формы в другую (например, б-глюкоза >в-глюкоза). Аномерами называют энантиомерные формы моносахаридов, различающиеся положением полуацетального гидроксила.
• 2. Восстановление до многоатомных спиртов (например, глюкоза восстанавливается до сорбита, рибоза — до рибита).
• 3. Окисление с образованием соответствующих кислот (например, в зависимости от окисляемой группы глюкоза может образовывать глюконовую, глюкуроновую и глюкаровую кислоты).
• 4. Эпимеризация (например, в слабощелочной среде D-глюкоза находится в равновесии с кетогексозой (D-фруктозой) и альдогексозой (D-маннзой).
• 5. Образование гликозидов. Конденсация аномерной ОН-группы со спиртовой группировкой молекулы приводит к образованию О-гликозидов. Именно за счет этих связей построены олиго — и полисахариды. При взаимодействии аномерной ОН-группы с NH₂-группой образуются N-гликозиды.
• 6. Этерификация. Гидроксильные группы моносахаридов образуют эфиры с различными кислотами. В метаболизме особо важную роль играет фосфорилирование сахаров.
• 7. Способность реагировать с азотсодержащими соединениями при высокой температуре с образованием специфических окрашенных веществ — меланоидинов.
• 8. Способность глюкозы (и других гексоз) подвергаться расщеплению (путем гликолиза) и сбраживанию микроорганизмами.

Основные функции моносахаридов:

• 1. Энергетическая (моносахариды легко расщепляются с выделением энергии, которая затрачивается на образование АТФ).
• 2. Пластическая (метаболическая). Моносахариды являются предшественниками для образования многих важных веществ: резервных и структурных полисахаридов, аминокислот, жирных кислот, глицерина и др.
• 3. Строение, свойства и функции олигосахаридов

Олигосахариды различаются по следующим показателям:

Количество моносахаридов.

Качественный состав.

Характер гликозидной связи между моносахаридами.

В растворах моносахариды всегда присутствуют в циклической форме; в состав олиго — и полисахаридов они также входят в циклической форме.

Первый углеродный атом, соединенный с кислородом, является наиболее реакционноспособным. Как правило, связь образуется за счет гликозидного (полуацетального) гидроксила.

Для олигосахаридов характерны некоторые свойства, отмеченные для моносахаридов. Следует также отметить, что олигосахариды, поступающие в организм человека с пищей, в желудочно-кишечном тракте подвергаются гидролизу до своих структурных блоков — моносахаридов. Поэтому в клетки они попадают уже в виде простых сахаров и, соответственно, выполняют те же функции, что и моносахариды.

Из олигосахаридов наибольшее распространение получили дисахариды. Рассмотрим химический состав наиболее важных из них.

Сахароза состоит из остатков б-глюкозы и в-фруктозы, соединенных в-гликозидной (или фруктозидной) связью. Гидролиз сахарозы происходит при участии фермента инвертазы (сахаразы):

сахароза б-глюкоза в-фруктоза Инвертаза в больших количествах содержится в дрожжах и в кишечнике организмов. Смесь глюкозы и фруктозы в равных количествах, которая образуется при гидролизе сахарозы, называется инвертным сахаром.

Мальтоза — дисахарид, состоящий из 2-х остатков б-глюкозы. Это основной продукт гидролиза крахмала.

Мальтоза > б-глюкоза + б-глюкоза Гидролиз мальтозы проходит при участии фермента мальтазы.

Мальтаза есть в слюне и поджелудочном соке.

Лактоза — молочный сахар, образуется в организме животных.

Лактоза = в-галактоза + б-глюкоза. Гидролиз лактозы катализируется ферментом лактазой.

Лактаза очень активна у младенцев; у некоторых взрослых лактаза не сохраняется, что влечет за собой непереносимость молока.

4. Строение, свойства и функции полисахаридов

Полисахариды подразделяются на гомосахариды и гетеросахариды.

В состав гомосахаридов входят моносахариды одного типа. Если мономер-фруктоза, то полисахарид нзывается фруктан; галактоза — галактан; глюкоза — глюкан.

Мономерами гетерополисахаридов являются моносахариды 2-х или нескольких типов. К примеру, арабиноза и глюкоза входят в состав арабиноглюканов; арабиноза и ксилоза — арабиноксиланов.

Крахмал (гомосахарид) — запасной полисахарид растений; существует в 2-х формах: амилоза и амилопектин.

Амилоза — линейный полисахарид, состоит из остатков б-глюкозы, соединенных б — 1, 4 связью.

Амилопектин — разветвленный полисахарид, в котором на каждые 12 остатков глюкозы, соединенных б — 1, 4 связью, приходится б — 1, 6 связь.

Эти вещества сильно различаются по своим физическим и химическим свойствам. Так, например, от йода амилоза окрашивается в синий цвет, а амилопектин — в красно-фиолетовый. Они различаются и по растворимости: амилоза легко растворяется в теплой воде и дает растворы со сравнительно невысокой вязкостью, в то время как амилопектин растворяется в воде лишь при нагревании под давлением и дает очень вязкие растворы.

Гликоген (" животный крахмал") — по строению сходен с крахмалом, но характеризуется большей разветвленностью.

Является резервным питательным веществом (образуется главным образом в печени и мышцах).

Целлюлоза (клетчатка) — полисахарид, состоящий из большого количества остатков в-глюкопиранозы.

Функции полисахаридов:

Запас питательных веществ (крахмал, гликоген — наиболее распространенные вещества).

Источники энергии (при использовании их в качестве источников энергии они должны сначала подвергаться расщеплению до моносахаридов).

Структурная (целлюлоза — образует клеточные стенки у растений, хитин — у животных, муреин — у бактерий).

5. Углеводы зерна и продуктов его переработки

В зерне злаков углеводы составляют подавляющую часть всего зерна.

Пентозы в свободном виде в зерне, крупе и муке практически не содержатся. Они содержатся в довольно большом количестве в зерне в виде пентозанов. Их особенно много в оболочках зерна, отрубях, «лузге» различных семян, кукурузных кочерыжках.

Значительная часть сахара, содержащегося в нормальном непроросшем зерне, состоит из сахарозы. В нормальном непроросшем зерне мальтоза почти не содержится; она накапливается в зерне лишь при прорастании. В зародышах зерна в заметном количестве содержится рафиноза — трисахарид, состоящий из остатков глюкозы, фруктозы и галактозы.

Крахмал — главное из веществ, содержащихся в зерне злаков. Среднее содержание крахмала в зерне кукурузы, ржи, риса и пшеницы составляет от 60 до 75%, у ячменя — от 50 до 60%; особенно много крахмала в рисовом зерне — от 75 до 80%. В зерне он содержится в виде крахмальных зерен различного размера и формы. Крахмальные зерна пшеницы, ржи и ячменя простые, в то время как у кукурузы, овса и риса сложные, состоящие из отдельных, как бы склеенных между собой мелких крахмальных зернышек.

Как было уже отмечено, крахмал состоит из амилозы и амилопектина. В картофельном крахмале содержится от 19 до 22% амилозы и от 78 до 91% амилопектина; в пшеничном и кукурузном — соответственно 25 и 75%.

Гликоген — близкий к крахмалу полисахарид — содержится в зерне некоторых сортов и видов кукурузы и в дрожжах. Гликоген имеет структуру, сходную со структурой амилопектина, т. е. он также представляет собой разветвленный полисахарид; однако в отличие от амилопектина молекула гликогена построена как бы более компактно.

Слизи (гумми). Содержащиеся в зерне слизи представляют собой полисахариды, в большинстве случаев растворимые в воде. Сравнительно много слизей в зерне ржи — около 2,5 и даже 3% от сухого веса зерна. Слизи ржи легко набухают в воде и образуют очень вязкие растворы. Повышенная по сравнению с пшеничным зерном вязкость ржи при размоле объясняется именно содержанием слизей в ржаном зерне.

В зерне многих культур (ржи, пшеницы, овса, ячменя) содержатся левулезаны — полисахариды, состоящие из остатков левулезы (фруктозы).

Гемицеллюлозы — нерастворимые в воде полисахариды, которые не усваиваются человеческим организмом. Они содержатся главным образом в отрубях, в периферических, оболочечных частях зерна. При гидролизе гемицеллюлозы зерна образуют либо гексозы, например, глюкозу, либо пентозы (арабинозу и ксилозу). В зерне ржи и пшеницы содержится от 8 до 10% гемицеллюлозы.

Клетчатка (целлюлоза) представляет собой полимер в-D-глюкопиранозы. Она также не усваивается человеческим организмом. Содержится главным образом в оболочках зерна и в стенках клеток алейронового слоя.

Лекция 7. Основные пути распада и синтеза углеводов

• 1. Гликолиз и брожение
• 1. Процессы распада олиго — и полисахаридов

Процессы расщепления сложных углеводов являются обязательными подготовительными процессами при их использовании и как источников энергии и как пластического материала. При распаде олиго — и полисахаридов возникают свободные монозы и их фосфорные эфиры. Дальнейший обмен моносахаридов идет такими путями, что используются только их фосфорные эфиры, свободные же монозы превращаются в фосфорные эфиры (фосфорилируются).

Таким образом, фосфорилирование свободных моносахаридов — обязательная реакция на пути их использования для нужд организма. Она приводит к возникновению более реакционных, чем свободные моносахариды, фосфорных эфиров и поэтому часто рассматривается как реакция активирования. Существует 2 способа расщепления сложных углеводов: фосфоролиз и гидролиз.

Фосфоролиз

Фосфоролиз — расщепление сложных углеводов под действием фосфорной кислоты. Фосфоролиз — наиболее эффективный процесс в энергетическом отношении; это процесс подготовки к участию в обмене веществ крахмала и гликогена. В результате фосфоролиза крахмала и гликогена образуется не просто глюкоза, а фосфорилированная глюкоза (глюкозо-1-фосфат) — исходная форма для всех преобразований глюкозы. Для того чтобы получить фосфорилированную глюкозу из обычной глюкозы, которая образуется при гидролизе крахмала и гликогена, необходимо затратить молекулу АТФ. А при фосфоролизе фосфорилированная глюкоза образуется без дополнительной затраты энергии. Фосфоролиз имеет место и в животных, и в растительных организмах. Однако следует отметить, что таким способом расщепляются только собственные углеводы (например, гликоген, образующийся в организме человека). Тогда как сложные углеводы, поступающие с пищей, всегда расщепляются путем гидролиза при участии гидролитических ферментов пищеварительной системы.

Гидролиз

Как уже было показано, олигосахариды, поступающие с пищей, в желудочно-кишечном тракте расщепляются путем гидролиза до своих мономеров, которые уже способны всасываться в кровь. Гидролиз каждого из дисахаридов катализируется собственным ферментом и поскольку в их молекулах всего одна гликозидная связь, процесс протекает достаточно просто. Однако гидролиз полисахаридов, особенно с высокой молекулярной массой, протекает путем многоступенчатого процесса. Рассмотрим этот процесс на примере крахмала.

Гидролиз крахмала осуществляется несколькими ферментами, которые называются амилазами. Амилаза осуществляет гидролиз только б — 1, 4 связи. Их несколько типов:

• 1) б-амилазы — содержатся в слюне, в поджелудочном соке, в прорастающих семенах растений, синтезируется грибами. б-амилаза — эндофермент, т. е. разрывает без определенного порядка внутренние связи в молекуле крахмала. В результате гидролиза образуются б-мальтоза, немного глюкозы, низкомолекулярные декстрины (продукты гидролиза крахмала, обогащенные б-1, 6 связями).
• 2) в — амилазы, встречаются только в растениях. Являются экзоферментами, гидролизующего внешние связи со стороны нередуцирующего конца молекулы крахмала; с образованием в-мальтозы, немного глюкозы и высокомолекулярных декстринов.
• 3) г-амилазы (глюкоамилазы), встречаются и у растений, и у животных (входят в состав кишечного сока). Являются экзоферментами, которые отщепляют от декстринов и олигосахаридов б-глюкозу.
• 4) б — 1,6-гликозидаза, имеется у разных организмов, гидролизует б-1,6 связи в амилопектине и гликогене.

Редуцирующий конец — конец полисахарида, на котором находится гликозидный (полуацетальный) гидроксил в свободном состоянии.

Амилазы действуют на крахмал следующим образом. Во-первых, они разжижают крахмал. Далее, амилазы обладают декстринирующим действием, т. е. они способны превращать крахмал в различные декстрины, что можно легко проследить по изменению окраски с йодом. И наконец, поскольку при действии амилаз на крахмал образуется сахар (мальтоза), они обладают осахаривающим действием.

Чем различаются между собойамилаза иамилаза?

— амилаза, действуя на крахмал, образует главным образом мальтозу и мало декстринов; -амилаза расщепляет крахмал с образованием главным образом декстринов и небольшого количества мальтозы. -амилаза как бы дробит молекулу крахмала на крупные части, на декстрины, которые при этом образуются. Что касаетсяамилазы, то она как бы шелушит частицу крахмала с поверхности, отщепляя от нее молекулы мальтозы, причем остается молекула высокомолекулярного декстрина — амилодекстрина, который по своим свойствам приближается к первоначальному крахмалу.

Эти два вида амилазы существенно различаются по своим свойствам, а именно: -амилаза интенсивнее действует в более кислой среде. Если подкислять тесто, тоамилаза будет быстро терять свою активность. Это имеет большое значение при переработке муки из проросшего зерна, в которой как раз многоамилазы, ухудшающей ее хлебопекарные качества.

Амилазы различаются также по своей термостабильности, устойчивости к действию высоких температур. Зерноваяамилаза термостабильнее; она может действовать во время выпечки хлеба.

В нормальном непроросшем зерне пшеницы, ржи и ячменя содержится толькоамилаза, -амилазы нет; в зерне этих культурамилаза образуется только лишь при прорастании. В зерне некоторых других культур, например сои, содержится толькоамилаза, и даже при прорастанииамилаза не образуется.

Амилазы имеют очень большое значение в оценке качества зерна и муки: процесс накопления сахара во время брожения теста и сам процесс брожения зависят от скорости накопления в тесте мальтозы, что в свою очередь зависит от действия этого фермента. Амилазы имеют очень большое значение в спиртовой и пивоваренной промышленности, где применяется солод, представляющий собой проросшее и осторожно высушенное зерно, которое и является источником активной амилазы.

При кипячении с кислотами и крахмал, и гликоген гидролизуются: образуется глюкоза, а не мальтоза.

2. Синтез олиго — и полисахаридов

Долгое время предпринимались безуспешные попытки доказать, что синтез олигосахаридов, в частности, дисахаридов, представляет собой реакцию обращения их гидролиза. Однако, несмотря на многочисленные эксперименты такого рода, никто не сумел подобрать условия, при которых удалось бы направить вспять реакцию гидролиза, например, сахарозы, протекающей при участии фермента инвертазы.

Оказалось, что биосинтез олиго — и полисахаридов осуществляется путем реакций трансгликозилирования: перенос гликозильного остатка на один моносахарид идет с фосфорного эфира другого сахара и ускоряется специфическим ферментом — гликозилтрансферазой.

Исходными соединениями, с которых в процессе синтеза олигосахаридов гликозильный остаток переносится на моносахарид, как правило, служат нуклеозиддифосфатсахара (НДФ-сахара).

Они были открыты в середине 20-го века и очень быстро привлекли к себе внимание как наиболее вероятные метаболиты в биосинтезе углеводов. Будучи широко распространенными в природе, НДФ-сахара синтезируются из фосфорных эфиров моносахаридов и соответствующих ннуклеозидтрифосфатов.

Подобно синтезу олигосахаридов, новообразование полисахаридов происходит также путем трансгликозилирования. Синтез амилозы, целлюлозы и подобных им глюканов может происходить путем переноса гликозильных остатков с глюкозо-1-фосфата или аналогичных фосфорных эфиров моносахаридов. Эта реакция представляет собой обращение реакции фосфоролиза указанных соединений. Однако более существенное значение имеет биосинтез полисахаридов из соответствующих НДФ-сахаров при участии соответствующих трансгликозидаз.

Перенос гликозильного остатка идет на невосстанавливающий конец молекулы синтезируемого полисахарида. Эта реакция может повторяться многократно, что обеспечивает многоступенчатый синтез молекул полисахаридов, содержащих огромное число мономеров.

Характерная особенность реакций такого типа состоит в необходимости «затравки», т. е. наличия в реакционной среде небольшого количества молекул полисахарида. Она как бы предопределяет тот тип связи, который возникает в процессе трансгликозилирования.

3. Анаэробные процессы расщепления моносахаридов

Гликолиз Гликолиз — процесс анаэробного расщепления глюкозы до двух молекул пировиноградной кислоты. Он происходит и у анаэробных, у аэробных организмов.

Гликолиз открыт в 1933 году (Эмбденом и Мейергофом). Это один из наиболее древних биохимических путей (предполагают, что возник он 2,5−3 млрд. лет).

У анаэробов гликолиз — основной способ получения энергии в форме АТФ. У аэробов гликолиз является подготовительным этапом для аэробного дыхания.

Гликолиз локализуется в цитоплазме. Этот процесс включает 2 фазы:

• 1 фаза — накопление простых сахаров и их превращение в глицероальдегидфосфат (сопровождается расходом энергии).
• 2 фаза — окисление глицероальдегидфосфата (ФГА) до пировиноградной кислоты (ПВК), сопровождается высвобождением энергии и образованием АТФ.

Энергетический выход гликолиза:

+ 4 АТФ.

+ 2 НАД Н >6 АТФ (1 молекула НАД Н >3 АТФ).

2 АТФ Итого: 8 АТФ Образование АТФ в процессе гликолиза осуществляется путем субстратного фосфорилирования. Субстратное фосфорилирование — это фосфорилирование АДФ с образованием АТФ, идущее за счет энергии макроэргических связей субстратов.

Суммарное уравнение гликолиза выглядит следующим образом:

С₆Н₁₂О₆ + 2 АДФ + Н₃РО₄ + 2НАД⁺ > 2 С₃Н₄О₃+2 НАДН+Н⁺+2АТФ +2 Н₂О.

4. Брожение и его основные типы

Образовавшаяся в результате гликолиза ПВК является неустойчивым химическим соединением и всегда подвергается дальнейшим преобразованиям. Пути метаболизации ПВК зависят от того, есть ли в среде кислород, или условия являются анаэробными. В присутствии кислорода метаболизация ПВК осуществляется путем ее окислительного декарбоксилирования, в результате чего образуется ацетилкоэнзим А. При отсутствии кислорода метаболизация ПВК осуществляется путем брожения.

Брожением называются процессы превращения пировиноградной кислоты в анаэробных условиях в устойчивые конечные продукты без дополнительного высвобождения энергии.

Поскольку свободный кислород, имеющийся на нашей планете, образовался в процессе фотосинтеза, возникшего на более поздних этапах развития жизни на Земле, совершенно очевидно, что анаэробный распад углеводов, т. е. процесс брожения, является более древним типом катаболизма, чем процесс дыхания. На это указывает также то, что по сравнению с дыханием брожение-процесс, энергетически значительно менее выгодный, поскольку для получения одного и того же количества энергии при брожении расходуется значительно больше сахара, чем при дыхании.

Тип брожения определяется спецификой организма и наличием соответствующих ферментных систем.

Спиртовое брожение

При спиртовом брожении на 1-м этапе происходит декарбоксилирование ПВК и превращение ее в уксусный альдегид, а затем образуется этиловый спирт.

Спиртовое брожение характерно для дрожжей. Среди них наибольшее значение имеют истинные дрожжи — организмы, принадлежащие к роду Saccharomyces. К числу организмов, вызывающих при определенных условиях спиртовое брожение, принадлежат и так называемые дрожжеподобные организмы (Monilia, Oidium), а также некоторые из плесневых грибов, например, Mucor. Спиртовое брожение находит применение в пивоварении, виноделии и для приготовления дрожжевого теста.

При спиртовом брожении всегда в незначительных количествах образуются янтарная кислота, уксусный альдегид, глицерин и так называемые сивушные масла — смесь амилового, изоамилового, бутилового и других спиртов.

Наиболее легко подвергаются сбраживанию глюкоза и фруктоза, медленнее — манноза и еще медленнее — галактоза. Пентозы дрожжами не сбраживаются; они могут сбраживаться только некоторыми плесневыми грибами из рода Fusarium.

Из дисахаридов хорошим субстратом спиртового брожения являются сахароза и мальтоза. Однако оба этих сахара сбраживаются лишь после предварительного гидролиза на составляющие их моносахариды.

В присутствии кислорода спиртовое брожение прекращается и дрожжи получают энергию, необходимую для их развития и жизнедеятельности, путем кислородного дыхания. При этом дрожжи тратят сахар значительно экономнее, чем в анаэробных условиях.

Близкой к спиртовому брожению формой анаэробного обмена является уксуснокислое брожение, характерное для некоторых бактерий; в результате такого брожения образуется уксусная кислота.

Молочнокислое брожение Молочнокислое брожение характерно для некоторых видов бактерий и используется для приготовления молочнокислых продуктов (простокваши, ацидофилина, кефира), при изготовлении кваса, хлебных заквасок и «жидких дрожжей» для хлебопечения, при квашении капусты, огурцов, при силосовании кормов.

Все микроорганизмы, вызывающие молочнокислое брожение, разделяются на две большие группы. К первой группе принадлежат микроорганизмы, являющиеся настоящими (облигатными) анаэробами и сбраживающие гексозы с образованием молочной кислоты. Эти микроорганизмы получили название гомоферментативных молочнокислых бактерий. Ко второй группе (гетероферментативные молочнокислые бактерии) относятся микроорганизмы, которые кроме молочной кислоты образуют значительные количества других продуктов, в частности уксусной кислоты и этилового спирта.

Заметное содержание молочной и уксусной кислот в ржаном тесте и ржаном хлебе объясняется тем, что здесь наряду со спиртовым брожением происходит также молочнокислое брожение. Одновременное протекание в ржаном тесте этих процессов объясняется присутствием в закваске как дрожжей, вызывающих спиртовое брожение, так и молочнокислых бактерий, вызывающих молочнокислое брожение. Подобного рода совместное существование дрожжей и молочнокислых бактерий, оказывающих друг на друга благотворное влияние, наблюдается в целом ряде пищевых продуктов и полуфабрикатов — в хлебном квасе, кумысе, различных кисломолочных продуктах.

Молочнокислое брожение у аэробных организмов

У многоклеточных организмов образование молочной кислоты может происходить в различных тканях в условиях кислородного голодания.

К примеру, у человека молочнокислое брожение идет в мышцах при недостатке кислорода.

Сердце при нагрузке на мышцы не успевает их обеспечить кислородом, вследствие чего накапливается лактат (молочная кислота) и мышцы болят.

При недостатке кислорода электроны, образующиеся при окислении НАД Н, восстанавливают все белки-переносчики ЭТЦ; в результате новые порции НАД Н не окисляются и НАД восстановленный накапливается; в результате возникает недостаток НАД⁺ окисленного.

НАД окисленный является коферментом дегидрогеназы, участвующей в цикле Кребса и в превращении ПВК в ацетил КоА. В его отсутствие эти дегидрогеназы не активны, т. е. ПВК не может превращаться в ацетил КоА и цикл Кребса блокируется.

Таким образом, роль молочнокислого брожения состоит в окислении НАД Н, образующегося при гликолизе, что позволяет гликолизу функционировать. В результате образуется 2 АТФ, поддерживающие некоторое время жизнедеятельность организма.

Маслянокислое брожение Большинство микроорганизмов, вызывающих маслянокислое брожение, являются анаэробами. Некоторые из них принадлежат к группе облигатных анаэробов, т. е. таких организмов, которые могут жить только в отсутствие кислорода, и для которых последний является ядом.

Наряду с масляной кислотой, двуокисью углерода и водородом при маслянокислом брожении образуются этиловый спирт, а также молочная и уксусная кислоты.

Маслянокислое брожение в природных условиях происходит в гигантских масштабах на дне болот, в заболоченных почвах, в различного рода илах и всех тех местах, куда ограничен доступ кислорода, и где в результате деятельности маслянокислых бактерий разлагаются огромные количества органического вещества.

Существуют и другие схемы брожения, при которых конечными продуктами могут являться уксусная, валериановая, пропионовая, а также другие органические кислоты.

Распад органического вещества в процесс гликолиза и брожения является не только источником энергии для данного организма, но также источником различных соединений, возникающих в качестве промежуточных продуктов брожения и используемых организмом для многочисленных синтетических реакций.

Лекция 8. Аэробное дыхание

1. Основные этапы аэробного дыхания

Как было отмечено ранее, образовавшаяся в результате гликолиза пировиноградная кислота (пируват) является неустойчивым химическим соединением и всегда подвергается дальнейшей метаболизации. В большинстве случаев (в аэробных условиях) ПВК подвергается полному окислению до диоксида углерода и воды при участии кислорода с полным извлечением энергии и запасанием ее в форме АТФ. Этот процесс называется аэробным дыханием.

Аэробное дыхание представляет собой серию достаточно сложных процессов, которые можно разбить на 3 стадии:

• 1) Окислительное декарбоксилирование пирувата (ПВК) с образованием ацетилкоэнзима, А (либо образование его из жирных кислот и аминокислот).
• 2) Разрушение ацетильных групп в цикле трикарбоновых кисло (цикл Кребса) с высвобождением углекислого газа и атомов водорода.
• 3) перенос электронов (соответствующих этим атомам водорода к молекулярному кислороду — процесс окисления, сопряженный с фосфорилированием АДФ, в результате которого образуется АТФ).
• 2. Окислительное декарбоксилирование пирувата (ПВК)

Гликолиз, в результате которого образуется пировиноградная кислота, осуществляется в цитоплазме клеток. Затем ПВК попадает в митохондрии клеток. Там она окисляется (в аэробных условиях) и превращается в богатое энергией производное уксусной кислоты — ацетилкоэнзим А. Реакция ускоряется мультиэнзимным комплексом, который называется пируватдегидрогеназным комплексом.

> >>

ПВК Ацетилкоэнзим, А Процесс этот можно выразить следующим суммарным уравнением:

СН₃-СО-СООН + НАД⁺ +НSСоА >СН3-СО??-SСоА + СО₂ ^+ НАДН+Н⁺

ПВК Ацетилкоэнзим, А Пируватдегидрогеназный комплекс, катализирующий процесс окислительного декарбоксилирования ПВК, представляет собой мульферментную систему, включающую три фермента, каждый из которых катализирует определенную стадию окислительного декарбоксилированния. Этот процесс идет при участии 5 кофакторов (НАД, ФАД, коэнзим А, тиаминпирофосфат, амид липоевой кислоты), в работе которых участвует 5 витаминов.

Следует отметить, что в результате реакции окисления ПВК в образующейся молекуле ацетилкоэнзима А возникают макроэргические связи, которые способствуют его энергетическому обмену в дальнейшем.

3. Цикл Кребса (цикл дии трикарбоновых кислот, цикл лимонной кислоты)

Биологический смысл цикла заключается в расщеплении пировиноградной кислоты до двуокиси углерода и извлечение из нее энергии. Все ферменты цикла Кребса локализованы в митохондриях, в их внутреннем межмембранном пространстве, которое заполнено матриксом — полужидким белковым веществом.

На начальном этапе цикла Кребса ацетильный радикал ацетил-КоА соединяется с молекулой щавелевоуксусной кислоты, и при этом образуется трикарбоновая лимонная кислота. Лимонная кислота окисляется в ходе последующих четырех ферментативных реакций. При этом восстанавливаются 3 молекулы НАД⁺ в НАД*Н, 1 молекула ФАД в ФАД*Н₂, и образуется одна молекула гуанозинтрифосфата (ГТФ) с макроэргической фосфатной связью. Энергия ГТФ используется для фосфорилирования АДФ и образования АТФ. Лимонная кислота теряет 2 углеродных атома, за счет которых образуются 2 молекулы СО₂. В итоге, в результате семи последовательных реакций, лимонная кислота превращается в щавелевоуксусную кислоту. Образовавшаяся молекула щавелевоуксусной кислоты соединяется с новой молекулой ацетилкоэнзима А, поступающей на этот циклический конвейер ферментов. При этом вновь образуется молекула лимонной кислоты, которая ступенчато окисляется до щавелевоуксусной кислоты, и цикл вновь повторяется.

В составе лимонной кислоты как бы сгорает присоединившийся остаток ацетил-КоА. При этом образуется углекислый газ, атомы водорода и электроны переносятся на акцепторы — НАД и ФАД окисленные.

Таким образом, энергия химических связей органических веществ (углеводов, жиров и белков) накапливается в молекулах НАД*Н, ФАД*Н2 и АТФ.

Непосредственно в ходе цикла Кребса при окислении 2-х молекул ацетил КоА синтезируется только 2 молекулы ГТФ. Синтез остальных молекул АТФ происходит при перемещении электронов по цепи переноса, которое осуществляется при участии комплексов ферментов, сосредоточенных на внутренней мембране митохондрий (так называемое окислительное фосфорилирование).

Таким образом, реакции цикла Кребса выполняют следующие функции:

• 1) Энергетическую.
• 2) Интегративную (объединяют распад углеводов, белков и липидов).
• 3) Пластическую (кислоты цикла Кребса являются важными метаболитами, участвующими во многих биохимических реакциях).
• 4. Окислительное фосфорилирование

Окислительное фосфорилирование — фосфорилирование АДФ с образованием АТФ, сопряженное с переносом электронов от восстановителей (НАД Н, ФАД Н₂) по электроннотранспортной цепи митохондрий к кислороду. Процесс называется окислительным, поскольку окисляются восстановленные динуклеотиды, и за счет этого появляется АТФ.

Электроны от НАД*Н и ФАД*Н₂ перемещаются по многоступенчатой цепи переноса электронов к конечному их акцептору — молекулярному кислороду.

Схема окислительного фосфорилирования была предложена в 1961 году Митчеллом и получила название «хемиосмотическая теория» .

Электронно-транспортная цепь (ЭТЦ), или цепь переноса электронов, расположена на внутренней мембране митохондрий. В ее состав входит ряд последовательно расположенных переносчиков электронов, которые отличаются способностью акцептировать электроны. Самый сильный акцептор электронов — кислород расположен в конце цепи.

Среди промежуточных переносчиков электронов — кофермент Q, цитохромы b, c₁, c, a, a₃ и, наконец, О₂.

Кофермент Q, или убихинон, представляет собой производное бензохинона, способное при участии фермента принимать электроны окисляемого НАД*Н и передавать их на восстанавливаемый цитохром b. Промежуточным переносчиком электронов является фермент, в состав которого входит акцептор электронов — флавинмононуклеотид (ФМН). При переносе электрона с ФМН на кофермент Q происходит первое фосфорилирование АДФ в АТФ. Еще две молекулы АТФ синтезируются на последующих этапах, где акцепторами электронов служат цитохромы.

Цитохромы представляют собой белки, к которым присоединены молекулы гема железопорфирина, подобные тем, которые содержатся в составе гемоглобина.

В комплексе, а и а₃, который называют цитохромоксидазой, помимо атомов железа содержатся атомы меди. Атомы железа и меди в этих молекулах и служат попеременно акцепторами и донорами электронов.

Как энергия, запасенная в НАД*Н и ФАД*Н₂, служит синтезу АТФ?

Атомы водорода этих восстановленных соединений транспортируются в мембраны митохондрий, где они оставляют электроны на внутренней стороне мембраны, а катионы Н+ с помощью белковой молекулы переносятся на наружную сторону (энергия электронов НАД Н затрачивается на перенос 2Н⁺ через мембрану).

Поскольку внутренняя мембрана непроницаема для протонов, то они накапливаются с наружной стороны внутренней мембраны. Электроны соединяются с кислородом, в результате чего образуются анионы.

Между наружной поверхностью мембраны, где накапливаются катионы Н+, и внутренней, где накапливаются анионы О₂-, возникает разность потенциалов. Формируется электрохимический потенциал — особая форма энергии.

В мембраны митохондрий встроены молекулы фермента, синтезирующего АТФ (АТФ-аза). Когда разность потенциалов достигает определенной величины, эта энергия затрачивается на изменение конформации АТФ-азы; при этом канал АТФ-азы открывается и по нему протоны возвращаются в матрикс, а в головке АТФ-азы происходит:

АДФ +Ф_н = АТФ Внутри митохондрий катионы Н+, соединяясь с анионами О₂-, образуют воду. Многие яды, например, динитрофенол, являются разобщителями сопряженного окислительного фосфорилирования: они открывают канал и протоны свободно возвращаются в матрикс, АТФ не синтезируется и человек погибает.

Таким образом, в цикле трикарбоновых кислот образуется углекислый газ и в цепи переноса электронов — вода. Это те же конечные продукты, которые образуются при сжигании органического топлива.

Энергетический баланс цикла Кребса ФАД Н₂ = 2 АТФ 4 НАД Н =12 АТФ НАД Н₂=3 АТФ ФАД = 2 АТФ ГТФ = АТФ ГТФ=АТФ Итого: 15 АТФ (на 1 молекулу ПВК) У аэробов в процессе гликолиза (расщепления глюкозы до 2-х молекул ПВК) образуется 8 молекул АТФ.

Таким образом, суммарный энергетический баланс полного окисления 1-й молекулы глюкозы до воды и углекислого газа составляет:

8 АТФ + 2*15 АТФ = 38 АТФ Не только глюкоза может служить источником энергии. Окисляются в клетках и жирные кислоты, которые образуются в результате ферментативного расщепления жиров липазой. В результате окисления жирных кислот в конечном итоге также образуется ацетил-КоА и восстанавливаются акцепторы электронов НАД+ в НАД*Н. При этом происходит восстановление акцепторов еще одного типа — ФАД в ФАД*Н₂

Энергия, запасенная в цикле трикарбоновых кислот, в молекулах НАД*Н и ФАД*Н₂, также используется дальше для синтеза АТФ.

Когда в клетках возникает дефицит и глюкозы, и жирных кислот, окислению подвергается ряд аминокислот. При этом также образуется ацетил-КоА, или органические кислоты, которые окисляются далее в цикле трикарбоновых кислот. Аминокислоты — это последний энергетический резерв, который поступает в «топку» биологического окисления, когда исчерпаны другие резервы. Аминокислоты — дорогой «строительный материал», и они в основном служат для синтеза белков.

Существенно, что при окислении глюкозы, жирных кислот и некоторых аминокислот образуется одинаковый конечный продукт — ацетил-КоА. При этом происходит «обезличивание» первичного источника энергии, поскольку ацетил-КоА не имеет никаких следов своего происхождения.

Лекция 9. Фотосинтез как основной источник органических веществ на Земле

Фотосинтез — единственный процесс на Земле, в результате которого энергия солнечного излучения превращается в энергию химических связей органических соединений.

Органическое вещество, синтезируемое автотрофными организмами, передается по цепям питания; таким образом, за его счет существуют все организмы на Земле.

1. Значение фотосинтеза

Значение фотосинтеза состоит в:

• 1) пополнении убыли органических соединений, непрерывно происходящей на нашей планете вследствие жизнедеятельности гетеротрофных организмов, а также производственной деятельности человека;
• 2) накоплении в продуктах фотосинтеза соответствующих количеств химической энергии;
• 3) поддержании уровня содержания в атмосфере кислорода, необходимого для существования подавляющего количества организмов, населяющих нашу планету;
• 4) устранении возможности накопления в атмосфере избытка углекислого газа.
• 2. Общие представления о химизме фотосинтеза

Фотосинтез, протекающий в клетках зеленых растений и некоторых бактерий, является чрезвычайно сложным процессом. Упрощенно его химизм можно выразить в виде следующего уравнения суммарной реакции:

квант света.

v.

nH₂O + nCO₂ > > (CH₂O) n + nO₂^.

Фотосинтез осуществляется в 2 стадии (фазы): световую и темновую:

квант света.

• v АТФ, НАДФН CO₂
• v^ v v

световые реакции > > > темновые реакции (цикл Кальвина).

^ v v.

Н₂О О_{2 (}CH₂O) n.

3. Характеристика фотосинтетического аппарата

Растения в своих зеленых частях имеют сложно устроенный фотосинтетический аппарат — фотосинтез происходит в зеленых пластидах — хлоропластах. Содержимое хлоропластов состоит из стромы (матрикса), имеющей белковую природу, и гран — зернистых образований, имеющих форму цилиндриков размером около 2 мкм. Граны состоят из плоских мешочкообразных пузырьков, имеющих двойную мембрану и называемых тилакоидами. В гранах они расположены стопками. В 1-й клетке зеленого листа, как правило, содержится 20−100 хлоропластов, а в каждом гране — 10−100 тилакоидов. Граны связаны между собой мембранными перемычками, которые называются ламеллами. В расчете на сухие вещества в хлоропласте содержится 50% белка, 35% липидов, 7% пигментов.

Реакции световой стадии фотосинтеза происходят в тилакоидах, а темновой — в строме.

Хлоропласты окрашены в зеленый цвет за счет зеленых пигментов (хлорофилла), которые расположены на внутренней мембране.

Молекула хлорофилла состоит из тетрапиррольного кольца; в нем имеется 9 сопряженных двойных связей. Обязательным компонентом хлорофилла является атом магния, соединенных с 4-мя атомами азота пиррольных колец с помощью металлоорганической связи.

Функции хлорофилла при фотосинтезе:

Избирательно поглощает энергию света.

Запасает ее в виде энергии электронного возбуждения.

Преобразовывает энергию возбужденного состояния в химическую энергию органических соединений: под действием света электрон от хлорофилла отрывается и восстанавливает другие соединения.

Помимо хлорофилла к фотосинтетическим пигментам относятся каротиноиды — желтые, оранжевые, красные.

Они всегда есть в фотосинтезирующих органах растений. Относятся к терпенам, которые построены на основе изопреновых блоков:

Функции каротиноидов:

• 1. Участие в поглощении света в качестве дополнительных пигментов.
• 2. Защита молекул хлорофилла от необратимого фотоокисления, которое может происходить под действием яркого света.

Структура фотосинтетического аппарата Пигменты растений организованы в светособирающие комплексы, которые локализованы на внутренних мембранах хлоропластов.

Функции светособирающих комплексов: поглощение света и передача энергии возбужденного состояния на реакционный центр.

Реакционный центр — белок, содержащий молекулу хлорофилла, способную из возбужденного состояния отдавать электрон.

Хлорофилл существует в возбужденном состоянии в течение 10 — ¹² — 10 — ⁹ сек. На ярком солнечном свету 1 квант света поглощается не чаще 1 раза за 0,1 сек. В течение остального времени молекула хлорофилла простаивает. Пигменты светособирающего комплекса поглощают энергию света и передают на реакционный центр для ее более производительного функционирования. Передача энергии осуществляется по принципу индуктивного резонанса.

Необходимыми условиями для фотосинтеза являются:

Светособирающие комплексы Фотосистемы 1 и 2.

Фотосистемы — белковые комплексы, с помощью которых энергия света превращается в энергию химических связей через энергию возбужденного состояния хлорофиллов.

АТФ-аза (фермент, обеспечивающий синтез АТФ).

4. Световая фаза фотосинтеза

Во время световой фазы фотосинтеза происходят стабилизация и запасание световой энергии и ее трансформация в химическую энергию. Обязательным условием для осуществления световой стадии фотосинтеза является наличие света.

Световая фаза фотосинтеза включает 4 основных процесса:

• 1) фотохимическое возбуждение хлорофилла;
• 2) фотоокисление (фотолиз) воды до кислорода, протонов и электронов;
• 3) фотовосстановление НАДФ окисленного до НАДФ восстановленного;
• 4) фотосинтетическое фосфорилирование (образование АТФ из АДФ и фосфорной кислоты при участии энергии света).

Внутренняя мембрана хлоропластов непроницаема для протонов.

Реакционный центр ФС 1 под действием кванта света переходит в возбужденное состояние, он окисляется и отдает электроны на ферредоксин, который передает их на фермент редуктазу. Редуктаза окисляет НАДФ⁺ до НАДФ Н. Под действием кванта света реакционный центр ФС 1 переходит в возбужденное состояние и окисляется, отдавая 2 электрона на комплекс переносчика.

Таким образом, в полости тилакоида накапливаются протоны, в результате возникает разность концентраций протонов между сторонами мембраны и разность зарядов.

За счет энергии электрохимического потенциала конформация фермента АТФазы изменяется, канал открывается и по нему протоны возвращаются в строму. Одновременно в головке АТФ-азы из АДФ и неорганического фосфата синтезируется АТФ.

5. Темновая фаза фотосинтеза

Темновая фаза фотосинтез — это путь восстановления двуокиси углерода до простых сахаров. Этот процесс впервые был изучен американским ученым Кальвином, поэтому в его честь был назван циклом Кальвина.

Цикл Кальвина функционирует у высших растений, водорослей, у большинства фототрофных бактерий.

Первичным акцептором углекислого газа является рибулозо-1,5-бисфосфат. Ключевым ферментом, обеспечивающим фиксацию СО₂, является фермент рибулозобисфосфаткарбоксилазаоксигеназа (Рубиско). Его активность строго коррелирует с общей интенсивностью фотосинтеза. Концентрация его в строме очень высока. На долю этого фермента приходится почти 60% растворимого белка стромы.

Цикл Кальвина, весьма напоминающий обращенный пентозофосфатный путь дыхания, состоит из 4-х этапов:

Стадия карбоксилирования: молекулы рибулозо-5-фосфата фосфорилируются с участием АТФ и фермента фосфорибулокиназы, в результате чего образуются молекулы рибулозо-1,5-бисфосфата. К ним, в свою очередь, присоединяется углекислый газ с помощью фермента Рубиско. Полученный продукт расщепляется на 2 триозы — 2 молекулы 3-ФГК.

Стадия восстановления ФГК. Образовавшиеся на предыдущем этапе молекулы 3-ФГК восстанавливаются до альдегида 3-ФГА в 2 этапа. Сначала происходит фосфорилирование 3-ФГК при участии АТФ и фосфоглицераткиназы до 1,3-бисфосфоглицериновой кислоты, а затем ее восстановление до фосфоглицеринового альдегида (при участии НАДФ восстановленного).

• 3) Стадия регенерации первичного акцептора СО₂. Происходит с участием фосфатов трех-, четырех-, пяти-, шести — и семиуглеродных сахаров. В результате процессов взаимопревращений фосфорилированных сахаров из 5 молекул трехуглеродных сахаров образуются 3 молекулы пятиуглеродных сахаров, которые затем превращаются в рибулозобисфосфат.
• 4) Стадия синтеза углеводных продуктов фотосинтеза. На этом этапе из фосфоглицеринового альдегида и фосфодиоксиацетона под действием фермента альдолазы синтезируется фруктозо-1,6-бисфосфат, который затем может превращаться или в крахмал, или сахарозу.

Для синтеза 1 молекулы глюкозы в цикле Кальвина необходимо 12 молекул НАДФ восстановленного и 18 молекул АТФ.

Процесс фотосинтеза осуществляется только на свету. Однако у растений часто возникает потребность в глюкозе, когда фотосинтез невозможен (в темное время суток, при прорастании семян). В этих случаях потребности в глюкозе удовлетворяются либо за счет распада сложных углеводов, либо путем новообразования глюкозы, которое называется глюконеогенезом.

Глюконеогенез — процесс образования глюкозы из неуглеводных предшественников: пирувата, аминокислот, глицерина, жирных кислот и др.). По своему химизму этот процесс напоминает обращенный гликолиз.

Глюконеогенез происходит и в организмах человека и животных. Однако ферменты, которые катализируют реакции гликолиза, имеются только в клетках печени и надпочечников. Поэтому глюконеогенез может осуществляться только в этих органах, он идет в тех случаях, когда возникает потребность в глюкозе (например, у клеток головного мозга), а запасов гликогена недостаточно и другие возможности обеспечить эти потребности отсутствуют.