Descompunerea nucleotidelor purinice și pirimidinice. Descompunerea bazelor purinice și pirimidinice
21.Descompunerea nucleotidelor purinice. Formarea acidului uric. Defalcarea nucleotidelor purinice poate avea loc în diferite moduri. Adenina și adenina liberă din nucleotide sunt dezaminate, transformându-se în hipoxantină și apoi în xantină (2,6-dioxipurină), care este transformată în acid uric sub acțiunea enzimei xantinoxidază. Xantina se formează și în timpul dezaminării guaninei. La oameni și primate, acidul uric este produsul final al P. o. și se excretă prin urină. Mamiferele, cu excepția primatelor, secretă alantoina, un produs al oxidării acidului uric, iar peștii teleostei, un produs al hidratării alantoinei, acidul alantoic. La amfibieni și majoritatea peștilor, este hidrolizat în uree și glioxilat.
La cele mai importante încălcări ale P. o. includ formarea și acumularea excesivă de acid uric, de exemplu în gută (gută) și sindromul Lesch-Nyhan. Acesta din urmă se bazează pe o deficiență ereditară a enzimei hipoxantin fosfatidiltransferaza, în urma căreia purinele libere nu sunt reutilizate, ci sunt oxidate în acid uric. La copiii cu sindrom Lesha-Nyhan se observă modificări inflamatorii și distrofice. cauzată de depunerea cristalelor de acid uric în țesuturi: boala se caracterizează prin întârzierea dezvoltării psihice și fizice. Dintre celelalte baze purinice care se găsesc la om, menționăm precursorii metabolici ai acidului uric: aminopurine - guanina, adenina - și oxipurine - hipoxantină, xantină.
În prezent, au fost dovedite trei căi principale de formare a acidului uric în organism: a) din purinele eliberate în timpul descompunerii tisulare; b) din purinele conținute în alimente; c) din purine produse sintetic.
Calea de formare a acidului uric este fundamental similară cu prima, cu diferența că în acest caz compușii care conțin purine, a căror transformare produce acid uric, sunt de natură alimentară. În acest caz, scindarea proteinei din nucleoproteină începe în stomac sub influența acidului clorhidric cu pepsină și se termină în intestin sub influența tripsinei. Acizii nucleici rezultați, sub influența enzimelor sucului pancreatic și intestinal - ribonuclează și dezoxiribonuclează - se descompun în mononucleotide. Acestea din urmă, sub acțiunea nucleotidazelor și nucleozidazelor sucului intestinal, sunt descompuse în nucleozide și, respectiv, baze azotate. Ambele, precum și unele dintre mononucleotide, sunt absorbite în intestin.
A treia modalitate de formare a acidului uric în organism, stabilită cu ajutorul izotopilor C14 și N15 etc., trece prin sinteza derivaților purinici, la care participă glicina, acizii formic și aspartic, glutamina și dioxidul de carbon.
22.Descompunerea nucleotidelor pirimidinice. Descompunerea nucleotidelor pirimidinice începe cu scindarea unui reziduu de acid fosforic din acestea, catalizat de nucleotidaze. Nucleozidele rezultate sunt scindate în continuare fosfolitic pentru a forma fosfați de (deoxi)riboză și baze azotate pirimidinice libere. Citozina este supusă dezaminarii înainte de degradare ulterioară. Descompunerea bazelor pirimidinice este caracterizată printr-o cale de reducere urmată de deschiderea inelului pirimidinic. Aminoacidul β-alanina este format din uracil, iar acidul β-aminoizobutiric, dioxidul de carbon și amoniacul se formează din timină. Aminoacizii - produse de degradare a pirimidinelor - pot intra apoi în diferite reacții metabolice (vezi Metabolismul azotului).
Din moment ce intensitatea sintezei acizi nucleici reglată în stadiul sintezei nucleotidelor pirimidinice, P. o. are un efect semnificativ asupra metabolismului acizilor nucleici. Una dintre modalitățile de reglare a sintezei nucleotidelor de pirimidină este inhibarea prin mecanism feedback: excesul de CTP - produsul final al proceselor de biosinteză P. o. inhibă alosteric enzima care catalizează sinteza carbamoil aspartat (prima reacție în biosinteza pirimidinelor). Nucleotidele de pirimidină inhibă, de asemenea, sinteza unui număr de enzime de metabolism de pirimidină.
În țesuturile cu creștere rapidă, activitatea enzimelor care degradează nucleotidele pirimidinice este extrem de scăzută; activitatea enzimelor de sinteză a acestora (aspartat carbamoiltransferaza etc.) crește brusc în țesuturile cu diviziune rapidă, de exemplu, în țesutul hepatic după hepatectomie parțială.
Tulburare genetică P. o. poate fi cauza unor boli ereditare, de exemplu orotaciduria, în care există excreția excesivă în urină a produsului de degradare al bazelor pirimidinice - acidul orotic. Anemia pernicioasă este însoțită de tulburări semnificative ale metabolismului pirimidinei (vezi Anemia), iar efectul terapeutic al vitaminei B12 și acidului folic (vezi Vitaminele) în anemie se datorează participării derivaților acestor vitamine ca coenzime în reacțiile de sinteza pirimidinei. bazele.
Defalcarea nucleotidelor purinice.
Adenozina și guanozina, care se formează în timpul hidrolizei nucleotidelor purinice, suferă descompunere enzimatică pentru a forma produsul final - acidul uric, care este excretat prin urină din organism.
Descompunerea nucleotidelor pirimidinice.
Etapele inițiale ale acestui proces sunt catalizate de enzime specifice. Produse finale: CO2, NH3, uree, β-alanină, acid β-aminoizobutiric. β-alanina este folosită pentru sinteza dipeptidelor musculare - carnozină și anserina sau este excretată prin urină.
Biosinteza nucleotidelor purinice și pirimidinice în țesuturi.
Biosinteza mononucleotidelor purinice.
Compusul inițial al sintezei este D-riboză-5-fosfat, care este un produs al ciclului pentozei fosfat și la care este transferată gruparea pirofosfat a ATP. 5-fosforibozil-1-pirofosfatul (PRPP) rezultat interacționează cu glutamina, care este un donator al grupării NH2, rezultând formarea β-5-fosforibozil-aminei. Această etapă devine cheie în sinteza purinelor. Apoi, o moleculă de glicină se atașează de gruparea NH2 liberă a β-5-fosforibosilaminei pentru a forma ribonucleotida de glicinamidă. După mai multe etape, se formează prima nucleotidă purinică, inozin monofosfat (IMP), din care se sintetizează apoi fosfații nucleozidici rămași.
Biosinteza nucleotidelor pirimidinice
Compușii inițiali din acest proces sunt fosfatul de carbamoil și acidul aspartic. Din ele, printr-un lanț lung de reacții, se formează uridin monofosfat (UMP) și alte nucleotide pirimidinice.
2.4. Boli asociate cu tulburările metabolismului nucleotidelor: guta, sindromul Lesch-Nychen.
Hiperuricemia este o creștere a concentrației de acid uric în plasma sanguină. Guta se poate dezvolta ca urmare a hiperuricemiei.
Guta este o boală cauzată de o tulburare a metabolismului acidului nucleic. Cristalele de acid uric și urat sunt depuse în cartilaj, tendoane, capsule articulare și uneori în rinichi, piele și mușchi. În jurul acestor depozite se formează inflamația și un arbore de granulație, care înconjoară țesutul mort, și se formează ganglioni gutoși - tofi (în articulațiile degetelor de la mâini, de la picioare, în cartilajul auricular), care este însoțit de deformare și durere. ale articulațiilor afectate. Semnele caracteristice ale gutei includ atacuri repetate de inflamație acută a articulațiilor (cel mai adesea mici) - artrită acută gutoasă. De obicei, pacienții sunt predispuși la ateroscleroză și hipertensiune arterială. Există o concentrație mare de acid uric în sângele lor - hiperuricemie. Cu câteva zile înainte de un atac de gută, excreția de apă și clorură de sodiu în urină crește, de exemplu. echilibrul apă-sare se schimbă. Ca urmare, crește concentrația de acid uric în sânge și depunerea acestuia în țesuturi. De regulă, guta este determinată genetic și rulează în familii. Este cauzată de tulburări în funcționarea fosforibozil difosfat (PRDP) sintetazei sau hipoxantin guanină sau adenin fosforiboziltransferazelor. Alte manifestări caracteristice includ nefropatia, în care se observă formarea de calculi de urat în tractul urinar.
Sindromul Lesch-Nyhan este o formă severă de hiperuricemie, care este moștenită ca o trăsătură recesivă legată de X. Apare doar la băieți. În plus față de simptomele gutei, se observă paralizie cerebrală, inteligență afectată și încercări de a se produce răni (mușcătură de buze, degete). Boala este asociată cu un defect al enzimei hipoxantin guanin fosforibosiltransferaza, care catalizează conversia hipoxantinei și guaninei în guanin monofosfat (GMP), astfel încât acestea sunt transformate în acid uric. În primele luni de viață nu sunt depistate tulburări neurologice, dar pe scutece se notează pete roz, cauzate de prezența cristalelor de acid uric în urină. Dacă nu sunt tratați, pacienții mor înainte de vârsta de 10 ani din cauza funcției renale afectate.
Principalul medicament pentru tratamentul hiperuricemiei este alopurinolul (un analog structural al hipoxantinei).
Defalcarea nucleotidelor purinice.
Adenozina și guanozina, care se formează în timpul hidrolizei nucleotidelor purinice, suferă descompunere enzimatică pentru a forma produsul final - acidul uric, care este excretat prin urină din organism.
Descompunerea nucleotidelor pirimidinice.
Etapele inițiale ale acestui proces sunt catalizate de enzime specifice. Produse finale: CO2, NH3, uree, β-alanină, acid β-aminoizobutiric. β-alanina este utilizată pentru sinteza dipeptidelor musculare - carnozină și anserina sau este excretată prin urină.
21. Coenzime: Majoritatea enzimelor necesită compuși organici neproteici cu greutate moleculară mică (coenzime) și/sau ioni metalici (cofactori) pentru a prezenta activitate enzimatică. Termen. „coenzima” a fost introdusă la începutul secolului al XX-lea și a desemnat o parte a unor enzime care a fost ușor separată de molecula proteică a enzimei și îndepărtată printr-o membrană semi-permeabilă în timpul dializei. Ceva mai târziu, s-a constatat că majoritatea enzimelor constau dintr-o parte proteică termolabilă și un factor non-proteic termostabil - o coenzimă. Partea proteică se numește „apoenzimă”, care în absența coenzimei nu are activitate catalitică. O coenzimă cu o moleculă de proteină (apoenzimă) formează o moleculă de holoenzimă cu activitate catalitică.
Cofactori
Mai mult de 25% din toate enzimele necesită ioni metalici pentru a prezenta activitate catalitică completă. Să luăm în considerare rolul cofactorilor în cataliza enzimatică.
1. Rolul metalelor în atașarea substratului
în locul activ al enzimei
Ionii metalici funcționează ca stabilizatori ai moleculei de substrat, centrul activ al enzimei și conformația moleculei proteice a enzimei, și anume structurile terțiare și cuaternare.
Ionii metalici sunt stabilizatori ai moleculei substratului
Pentru unele enzime, substratul este un complex al substanței convertite cu un ion metalic. De exemplu, pentru majoritatea kinazelor, unul dintre substraturi nu este molecula ATP, ci complexul Mg2+-ATP. În acest caz, ionul Mg2+ nu interacționează direct cu enzima, ci participă la stabilizarea moleculei de ATP și la neutralizarea sarcinii negative a substratului, ceea ce facilitează atașarea acestuia la centrul activ al enzimei.
Schematic, rolul unui cofactor în interacțiunea dintre o enzimă și un substrat poate fi reprezentat ca un complex E-S-Me, unde E este o enzimă, S este un substrat și Me este un ion metalic.
Un exemplu este localizarea substraturilor în locul activ al hexokinazei
Hexokinaza catalizează transferul restului terminal de γ-fosfat al moleculei de ATP la glucoză pentru a forma glucoză-6-fosfat:
Participarea ionilor de magneziu la atașarea substratului la locul activ al hexokinazei. Centrul activ al hexokinazei conține situsuri de legare pentru molecula de glucoză și complexul Md2+-ATP. Ca rezultat al reacției enzimatice, restul terminal, y-fosfat al moleculei de ATP este transferat la glucoză pentru a forma glucoză-6-fosfat.
Ionul Mg2+ este implicat în atașarea și orientarea „corectă” a moleculei de ATP în locul activ al enzimei, slăbind legătura fosfoesterică și facilitând transferul fosfatului la glucoză.
Ionii metalici sunt stabilizatori ai centrului activ al enzimei
În unele cazuri, ionii metalici servesc drept „punte” între enzimă și substrat. Acţionează ca stabilizatori ai centrului activ, facilitând ataşarea substratului la acesta şi apariţia unei reacţii chimice. În unele cazuri, un ion metalic poate promova adăugarea unei coenzime. Funcțiile enumerate mai sus sunt îndeplinite de metale precum Mg2+, Mn2+, Zn2+, Co2+, Mo2+. În absența metalului, aceste enzime nu au activitate. Astfel de enzime sunt numite „metaloenzime”. Schematic, acest proces de interacțiune între enzimă, substrat și metal poate fi reprezentat astfel:
Metaloenzimele includ, de exemplu, enzima piruvat kinaza (Fig. 2-4), care catalizează reacția:
Enzime digestive:
2. Stomacul
3.Intestinul subțire
Proteaze:
Carboxipeptidaza
Steapsin, care descompune grăsimile.
Enzime intestinale subțiri
22. Sistem multienzimatic: Fiecare celulă a corpului are propriul său set specific de enzime. Unele dintre ele se găsesc în toate celulele, altele sunt prezente doar în unele. Într-o celulă, activitatea fiecărei enzime, de regulă, nu este individuală, ci este strâns legată de alte enzime, de exemplu. Sistemele multienzimatice, sau transportoare, sunt formate din enzime individuale. În timpul transformării sale, un substrat trece uneori printr-un lanț lung de reacții la care participă multe enzime. Produsul reacției catalizate de prima enzimă servește ca substrat pentru a doua enzimă și așa mai departe. Un exemplu este procesul de glicoliză. Toate enzimele glicolitice sunt disponibile în stare solubilă. Participă la transformarea glucozei în acid lactic o serie intreaga enzime. Poziția fiecărei enzime în lanț este determinată de afinitatea acesteia cu substraturile (începând cu glucoză), fiecare dintre acestea fiind respectiv produsul unei reacții catalizate de enzima anterioară. Acest lucru crește viteza reacțiilor enzimatice, iar produsele intermediare nu se acumulează într-un astfel de lanț.
Multe ansambluri multienzimatice sunt asociate structural cu orice organite (mitocondrii, ribozomi, nucleu) sau biomembrane și constituie sisteme foarte organizate care asigură funcții vitale, de exemplu, respirația tisulară, de exemplu. transferul de electroni și protoni de la substraturi la oxigen printr-un sistem de enzime respiratorii atașate la membrana interioară a mitocondriilor. Unele enzime implicate în reacția unui lanț metabolic sunt combinate în complexe multienzimatice cu o funcție specifică. Un exemplu tipic de astfel de complexe supramoleculare este complexul de piruvat dehidrogenază, constând din mai multe enzime implicate în oxidarea acidului piruvic la acetil-CoA sau sintetaza acizilor grași, constând din șapte enzime înrudite structural care îndeplinesc funcția de sinteză a acizilor grași.
23. Digestia în metabolism: Metabolism (din grecescul μεταβολή - „transformare, schimbare”) sau metabolism - set reactii chimice, care apar într-un organism viu pentru a menține viața. Aceste procese permit organismelor să crească și să se reproducă, să-și mențină structurile și să răspundă la influențele mediului.
Digestia: Macromoleculele precum amidonul, celuloza sau proteinele trebuie descompuse în unități mai mici înainte de a putea fi utilizate de către celule. În degradare sunt implicate mai multe clase de enzime: proteaze, care descompun proteinele în peptide și aminoacizi, glicozidaze, care descompun polizaharidele în oligo- și monozaharide.
Microorganismele secretă enzime hidrolitice în spațiul din jurul lor, care diferă de animale, care secretă astfel de enzime doar din celulele glandulare specializate. Aminoacizii și monozaharidele formate ca rezultat al activității enzimelor extracelulare sunt apoi transportate în celule de către transport activ
Enzime digestive: Enzime digestive, enzime digestive - enzime care descompun componentele alimentare complexe în mai multe substanțe simple, care sunt apoi absorbite în organism. Într-un sens mai larg, enzimele digestive se referă și la toate enzimele care descompun moleculele mari (de obicei polimerice) în monomeri sau părți mai mici. Enzimele digestive se găsesc în sistemul digestiv al oamenilor și animalelor. În plus, astfel de enzime includ enzime intracelulare ale lizozomilor. Principalele locuri de acțiune ale enzimelor digestive în corpul uman și animal sunt cavitatea bucală, stomacul și intestinul subțire. Aceste enzime sunt produse de glande cum ar fi glandele salivare, glandele stomacale, pancreasul și glandele intestinale subțiri. Unele funcții enzimatice sunt îndeplinite de microflora intestinală obligatorie. În funcție de specificul substratului, enzimele digestive sunt împărțite în mai multe grupuri principale:
Proteazele (peptidazele) descompun proteinele în peptide scurte sau aminoacizi
lipazele descompun lipidele în acizi grași și glicerol
Carbohidrazele hidrolizează carbohidrații, cum ar fi amidonul sau zaharurile zaharuri simple precum glucoza
Nucleazele descompun acizii nucleici în nucleotide.
1. Cavitatea bucală - Glandele salivare secretă alfa-amilaza (ptialin) în cavitatea bucală, care descompune amidonul cu molecule înalte în fragmente mai scurte și în zaharuri individuale solubile (dextrine, maltoză, maltrioză).
2. Stomacul
Enzimele secretate de stomac se numesc enzime gastrice.
Pepsina este principala enzimă gastrică. Descompune proteinele în peptide.
Gelatinaza descompune gelatina și colagenul, principalii proteoglicani ai cărnii.
3.Intestinul subțire
Enzimele pancreatice
Pancreasul este glanda principală din sistemul digestiv. Ea secretă enzime în lumenul duodenului.
Proteaze:
Tripsina este o protează similară cu pepsina gastrică.
Chimotripsina este, de asemenea, o protează care descompune proteinele alimentare.
Carboxipeptidaza
Mai multe elastaze diferite care descompun elastina și alte proteine.
Nucleazele care descompun acizii nucleici ADN și ARN.
Steapsin, care descompune grăsimile.
Amilaza, care descompune amidonul și glicogenul, precum și alți carbohidrați.
Lipaza pancreatică este o enzimă esențială în digestia grăsimilor. Acționează asupra grăsimilor (trigliceride), emulsionate în prealabil de bila secretată în lumenul intestinal de către ficat.
Enzime intestinale subțiri
Mai multe peptidaze, inclusiv:
enteropeptidaza - transformă tripsinogenul în tripsină;
alanina aminopeptidaza - descompune peptidele formate din proteine după acțiunea proteazelor stomacului și pancreasului.
Enzime care descompun dizaharidele în monozaharide:
zaharaza descompune zaharoza în glucoză și fructoză;
maltaza descompune maltoza în glucoză;
izomaltaza descompune maltoza și izomaltoza în glucoză;
lactaza descompune lactoza în glucoză și galactoză.
Lipaza intestinală se descompune acizi grași.
Erepsina, o enzimă care descompune proteinele.
24. Respirația tisulară. Respirația celulară sau tisulară este un set de reacții biochimice care au loc în celulele organismelor vii, în timpul cărora are loc oxidarea carbohidraților, lipidelor și aminoacizilor în dioxid de carbon și apă. Energia eliberată este stocată în legături chimice compuși de înaltă energie (ATP etc.) și pot fi utilizați după cum este necesar. Inclus în grupul proceselor catabolice. Pentru informații despre procesele fiziologice de transport al oxigenului către celulele organismelor multicelulare și eliminarea dioxidului de carbon din acestea, vezi articolul Respirație.
Pentru prima dată, esența respirației a fost explicată de A.-L. Lavoisier (1743-1794), care a atras atenția asupra asemănărilor dintre ardere materie organicăîn afara corpului şi prin respiraţia animalelor. Treptat, diferențele fundamentale dintre aceste două procese au devenit clare: în organism, oxidarea are loc la o temperatură relativ scăzută în prezența apei, iar rata acesteia este reglată de metabolism. În prezent, oxidarea biologică este definită ca un set de reacții de oxidare a substraturilor din celulele vii, a căror funcție principală este de a furniza energie pentru metabolism. În dezvoltarea conceptelor de oxidare biologică în secolul XX. cea mai importantă contribuție a avut-o A.N. Bach, O. Warburg, G. Kreps, V.A. Engel-gardt, V.I. Palladin, V.A. Belitser, S.E. Severin, V.P. Skulaciov.
OXIDAREA BIOLOGICĂ- un set de reacții redox enzimatice care apar în celulele vii. În timpul procesului de oxidare biologică, nutrienții sunt descompusi, iar energia eliberată este stocată într-o așa-numită formă convenabilă pentru utilizare de către celule. compuși bogați în energie - adenozin trifosfați etc. Acești compuși sunt apoi cheltuiți pentru a asigura toate procesele vitale; o parte din energie este disipată sub formă de căldură. O parte semnificativă a reacțiilor de oxidare biologică are loc în mitocondrii
Oxidarea anaerobă a amoniului, anammox este un proces biochimic de oxidare a ionului de amoniu de către anionul nitrit în condiții anaerobe. Servește ca sursă de energie pentru fixarea dioxidului de carbon. Descrise în următoarele genuri bacteriene: Brocadia, Kuenenia, Anammoxoglobus, Jettenia, Scalindua. Toate aparțin planctomicetelor.
Procesul a fost descoperit în 1986. Acum creat tehnologie nouă curatenie apa reziduala din compuși de azot cu ajutorul bacteriilor care efectuează oxidarea anaerobă a amoniului. Prima stație de epurare bazată pe aceasta a fost construită și lansată la Rotterdam (Olanda). Avantajele importante ale acestei tehnologii sunt reducerea emisiilor de CO2 în atmosferă cu 85-90% comparativ cu metode tradiționale, precum și relativ ieftinitatea.
Ecuația generală Reacții de oxidare anaerobă a amoniului:
NH4+ + NO2− → N2 + 2H2O.
Oxidarea anaerobă a metanului- procesul de oxidare a metanului la dioxid de carbon, produs de arheile necultivate (VBNC engleză) din grupele ANME-1, ANME-2 și ANME-3, apropiate de Methanosarcinales, în asociere cu bacterii sulfato-reducătoare și denitrificatoare din absența oxigenului molecular în mediu. Biochimia și prevalența procesului în natură nu au fost încă suficient studiate.
26. Piruvatul format în reacțiile de glicoliză (în citoplasmă) trebuie transportat în mitocondrii. Transportul se realizează printr-un sistem special de „navetă”. În matricea mitocondrială, atașată de membrana sa interioară, există un complex multienzimatic complex - piruvat dehidrogenază.
Piruvat dehidrogenaza este formată din 60 de lanțuri polipeptidice, care pot fi împărțite în 3 enzime principale: E1 – piruvat dehidrogenaza propriu-zisă (constă din 24 de subunități); E2 – dihidrolipoiltransacetilază (tot 24 de subunități); E3 – dihidrolipoil dehidrogenază (12 subunități).
Secvența reacțiilor este prezentată în Fig. 5.12. E1 catalizează decarboxilarea PVK cu participarea coenzimei tiamină pirofosfat (TPP). Produsul de reacție rezultat (derivat hidroxietil al TPP) cu participarea E2 reacționează cu acidul lipoic oxidat (LA). Acidul lipoic, un compus cu greutate moleculară mică care conține azot, este o coenzimă E2.
CH2 CH – (CH2)4 – COOH
Acid lipoic
Gruparea disulfură a LA este capabilă de reducere și acetilare. Reacția catalizată de dihidrolipoiltransacetilază (E2) produce acid acetil lipoic. Apoi, acest compus reacționează cu coenzima A (CoA-SH nu este propria sa coenzimă E2) - aceasta produce o formă redusă de LA (acid dihidrolipoic) și acetil-CoA.
În cele din urmă, începe să funcționeze E3, a cărei coenzimă este FAD: coenzima oxidează acidul dihidrolipoic și este ea însăși redusă (FADH2). Coenzima flavină redusă reacționează cu NAD+ mitocondrial, reducându-l la rândul său (NADH·H+).
Astfel, în decarboxilarea oxidativă a PVA sunt implicate de fapt trei enzime, constituind un singur complex de piruvat dehidrogenază, și 5 coenzime: TPP, LA și FAD sunt coenzimele proprii ale complexului, CoA-SH și NAD+ sunt externe, venite „din exterior”. . Acetil-CoA rezultat este apoi oxidat în ciclul Krebs, iar hidrogenul cu NADH·H+ intră în lanțul respirator mitocondrial.
Mecanismul de funcționare al complexului de piruvat dehidrogenază
Piruvat dehidrogenaza se caracterizează printr-un potențial redox negativ mare, care poate asigura nu numai reducerea NAD+, ci și promova formarea unei legături tioester de înaltă energie în acetil-CoA (CH3-CO~ ScoA).
Dacă dieta conține vitamine insuficiente care alcătuiesc piruvat dehidrogenaza, în primul rând tiamina, activitatea enzimei scade. Acest lucru duce la acumularea de piruvat și lactat în sânge și țesuturi și la dezvoltarea acidozei metabolice. Cu deficit sever de tiamină, se dezvoltă acidoză necompensată, care fără tratament duce la moarte.
^ Reglarea activității piruvat dehidrogenazei
Complexul de piruvat dehidrogenază poate exista în forme active și inactive. Trecerea de la o formă la alta se realizează prin fosforilare reversibilă cu participarea unei kinaze și defosforilarea cu participarea unei fosfataze. În acest caz, forma fosforilată este inactivă, iar forma defosforilată este activă.
Cu concentrații scăzute de insulină și nivel înalt alimentarea cu energie a celulei (ATP, acetil-CoA și NADH·H+), acest complex este în stare inactivă. Activarea complexului de piruvat dehidrogenază este indusă de ioni de insulină, CoA-SH, piruvat, ADP și magneziu.
28. Respirația tisulară și oxidarea biologică. Decăderea compuși organiciîn țesuturile vii, însoțită de consumul de oxigen molecular și conducând la eliberarea de dioxid de carbon și apă și formarea specii biologice energia se numește respirație tisulară. Respirația tisulară este reprezentată ca etapa finală în transformarea monozaharidelor (în principal glucoză) în acești produși finali, care în diferite etape includ alte zaharuri și derivații acestora, precum și produși intermediari de descompunere a lipidelor (acizilor grași), proteinelor ( aminoacizi) și baze nucleice. Reacția finală respirația tisulară va arata asa:
С6Н12О6 + 6O2 = 6СО2+ 6Н2O + 2780 kJ/mol. (1)
Consumul de oxigen de către țesuturi depinde de intensitatea reacțiilor de respirație tisulară. Cea mai mare rată a respirației tisulare este caracterizată de rinichi, creier, ficat, cea mai scăzută - piele, țesut muscular (în repaus). Ecuația (2) descrie rezultatul general al unui proces în mai multe etape care duce la formarea acidului lactic (vezi capitolul 10) și care are loc fără participarea oxigenului:
C6H12Ob = 2C3H6O3 + 65 kJ/mol. (2)
Această cale reflectă aparent furnizarea de energie a celor mai simple forme de viață care funcționau în condiții fără oxigen. Microorganismele anaerobe moderne (care efectuează fermentarea acidului lactic, alcoolic și acetic) primesc pentru activitatea lor de viață energia produsă în procesul de glicoliză sau modificările acesteia.
Utilizarea oxigenului de către celule deschide oportunități pentru o oxidare mai completă a substraturilor. În condiții aerobe, produșii oxidării anoxice devin substraturi ale ciclului acidului tricarboxilic (vezi capitolul 10), în timpul căruia se formează transportatorii respiratori redusi NADPH, NADH și coenzimele flavină. Capacitatea NAD+ și NADP+ de a juca rolul unui purtător intermediar de hidrogen este asociată cu prezența amidei acidului nicotinic în structura lor. Când acești cofactori interacționează cu atomii de hidrogen, are loc hidrogenarea reversibilă (adăugarea atomilor de hidrogen):
În acest caz, 2 electroni și un proton sunt incluși în molecula NAD+ (NADP+), iar al doilea proton rămâne în mediu.
În coenzimele flavină (FAD sau FMN), a căror parte activă a moleculelor este inelul izoaloxazin, ca urmare a reducerii, se observă cel mai adesea adăugarea a 2 protoni și 2 electroni în același timp:
Formele reduse ale acestor cofactori sunt capabile să transporte hidrogen și electroni către lanțul respirator al mitocondriilor sau alte membrane de cuplare a energiei
Acidul uric la oameni și la o serie de animale (primate, păsări și unele reptile) este produsul final al descompunerii bazelor purinice și este excretat din organism. Formarea acidului uric are loc în principal în ficat. Acidul uric este principalul produs de degradare a nucleotidelor la om. Organismul produce zilnic 0,5-1 g de acid uric, care este excretat prin rinichi. Sângele unei persoane sănătoase conține 3-7 mg/dl acid uric. O creștere cronică a concentrației de acid uric (hiperuricemie) duce adesea la dezvoltarea gutei - depunerea de acid uric slab solubil (și sărurile sale de urat) sub formă de cristale în sânge și țesuturi. Această boală este de natură ereditară și este asociată cu un defect al enzimei care catalizează reacția de conversie a hipoxantinei și guaninei în acid inozinic - IMP (vezi secțiunea 12.3 „Biosinteza nucleotidelor”) și, respectiv, GMP. Ca urmare, hipoxantina și guanina nu sunt reutilizate pentru sinteza nucleotidelor, ci sunt transformate în întregime în acid uric, ceea ce duce la hiperuricemie.
Majoritatea animalelor și plantelor au enzime care provoacă descompunerea în continuare a acidului uric în uree (1) și acid glioxalic (2):
acid β-izobutiric
H2N-COOH → NH3 + CO2.
De regulă, produsele de descompunere a acizilor nucleici sunt excretate din organism. Nucleozidele sunt absorbite predominant și, în această formă, o parte din bazele azotate pot fi folosite pentru sinteza acizilor nucleici în organism. Dacă nucleozidele se descompun în baze libere, atunci guanina nu este utilizată în scopuri sintetice, iar restul, în cantități mici, poate participa la sinteza acizilor nucleici.
Biosinteza nucleotidelor
Sinteza acizilor nucleici este determinată de viteza de sinteză a mononucleotidelor, în timp ce sinteza acestora din urmă depinde de prezența tuturor celor trei componente ale acestora. Pentozele sunt produse ale metabolismului glucozei; acidul fosforic este furnizat în cantități suficiente cu alimente. Factorul limitativ este biosinteza bazelor azotate.
Informații conexe:
- Manipulați cu atenție soluțiile de acizi și baze. Dacă soluțiile intră în contact cu pielea dumneavoastră, contactați imediat profesorul.
B. Căi „de rezervă” pentru sinteza nucleotidelor pirimidinice
Utilizarea bazelor pirimidinice și a nucleozidelor în reacțiile de reciclare previne catabolizarea acestor compuși la produsele finite cu scindarea inelului pirimidinic. Unele enzime ale catabolismului nucleotidelor sunt implicate în resinteza pirimidinelor. Astfel, uridin fosforilaza, într-o reacție reversibilă, poate ribozila uracil pentru a forma uridină.
Uracil + Riboză-1-fosfat → Uridină + H 3 PO 4.
Conversia nucleozidelor în nucleotide este catalizată de uridin citidin kinaza.
O parte din CMP poate fi transformată în UMP prin acțiunea citidin deaminazei și umple rezervele de nucleotide uridil.
CMP + H20 → UMP + NH3.
B. Reglarea sintezei NUCLEOTIDElor pirimidinice
Enzima reglatoare în sinteza nucleotidelor pirimidinice este enzima polifuncțională CAD. UMP și nucleotidele purinice inhibă alosteric și PRDF își activează activitatea carbamoil sintetazei, în timp ce activitatea domeniului aspartat transcarbamoilază inhibă CTP, dar activează ATP (Fig. 10-15).
Această metodă de reglare face posibilă prevenirea sintezei excesive nu numai a UMP, ci și a tuturor celorlalte nucleotide pirimidinice și asigură formarea echilibrată a tuturor celor patru nucleotide principale de purină și pirimidină necesare pentru sinteza ARN.
Orotacidurie
Aceasta este singura tulburare a sintezei pirimidinei de novo. Este cauzată de o scădere a activității UMP sintetazei, care catalizează formarea și decarboxilarea UMP. Deoarece în embriogeneză din formarea pirimidinelor de novo depinde de asigurarea sintezei ADN-ului cu substraturi, atunci viața fetală este imposibilă în absența completă a activității acestei enzime. Într-adevăr, toți pacienții cu orotacidurie au activitate UMP sintazei vizibilă, deși foarte scăzută. S-a stabilit că conținutul de acid orotic din urina pacienților (1 g/zi sau mai mult) depășește semnificativ cantitatea de orotat care se sintetizează în mod normal zilnic (aproximativ 600 mg/zi). Scăderea sintezei nucleotidelor pirimidinice, observată în această patologie, perturbă reglarea enzimei KAD prin mecanismul de retroinhibire, ceea ce are ca rezultat supraproducția de orotat.
Din punct de vedere clinic, cea mai caracteristică consecință a orotaciduriei este anemia megaloblastică, cauzată de incapacitatea organismului de a asigura rata normală de diviziune a globulelor roșii. Este diagnosticat la copii pe baza faptului că nu este tratabil cu suplimente de acid folic.
Sinteza insuficientă a nucleotidelor pirimidinice afectează dezvoltarea intelectuală, capacitatea motrică și este însoțită de tulburări în funcționarea inimii și a tractului gastrointestinal. Formarea sistemului imunitar este perturbată și se observă o sensibilitate crescută la diferite infecții.
Hiperexcreția acidului orotic este însoțită de tulburări ale sistemului urinar și formarea de calculi. Fără tratament, pacienții mor de obicei în primii ani de viață. În același timp, acidul orotic nu are efect toxic. Numeroase tulburări în funcționarea diferitelor sisteme ale corpului sunt cauzate de „foametea cu pirimidină”.
Pentru a trata această boală, se utilizează uridină (de la 0,5 la 1 g/zi), care este transformată în UMP prin calea „de rezervă”.
Uridină + ATP → UMP + ADP.
Încărcarea cu uridină elimină „foamea de pirimidină” și, deoarece toate celelalte nucleotide din seria pirimidină pot fi sintetizate din UMP, eliberarea acidului orotic este redusă datorită restabilirii mecanismului de retroinhibire a enzimei CAD. Pentru pacienții cu orotacidurie, tratamentul cu uridină continuă pe tot parcursul vieții, iar acest nucleozid devine un factor nutrițional indispensabil pentru aceștia.
Pe lângă cauzele determinate genetic, se poate observa orotaciduria:
cu hiperamoniemie cauzată de un defect al oricăreia dintre enzimele ciclului ornitinic,
cu excepția carbamoil fosfat sintetazei I. În acest caz, carbamoil fosfat sintetizat în mitocondrii pătrunde în citosolul celular și începe să fie folosit pentru formarea nucleotidelor pirimidinice. Concentrația tuturor metaboliților, inclusiv a acidului orotic, crește. Cea mai semnificativă excreție de orotat se observă cu deficiența ornitin carbamoiltransferazei (a doua enzimă a ciclului ornitinei);
în procesul de tratare a gutei cu alopurinol, care este transformat în mononucleotidă de oxipurinol și devine un inhibitor puternic al UMP sintetazei. Acest lucru duce la acumularea de acid orotic în țesuturi și sânge.
3. Structura, sinteza si secretia insulinei. Reglarea sintezei și secreției de insulină. Mecanismul de acțiune al insulinei. Rolul insulinei și hormonilor contrainsulari (adrenalină și glucagon) în reglarea metabolismului. Modificări ale statusului hormonal și metabolismului în diabetul zaharat. Comă diabetică.
Insulina este o polipeptidă formată din două lanțuri polipeptidice. Lanțul A conține 21 de resturi de aminoacizi, lanțul B conține 30 de resturi de aminoacizi. Ambele lanțuri sunt legate prin două punți disulfurice (Fig. 1). Insulina poate exista sub mai multe forme: monomer, dimer si hexamer. Structura hexamerică a insulinei este stabilizată de ionii de zinc, care sunt legați de reziduurile His la poziția 10 a lanțului B al tuturor celor 6 subunități.
Molecula de insulină conține, de asemenea, o punte disulfurică intramoleculară care conectează al șaselea și al unsprezecelea reziduuri din lanțul A. Insulinele unor animale au o asemănare semnificativă în structura primară cu insulina umană.
În ambele lanțuri, substituțiile apar în multe poziții care nu afectează activitatea biologică a hormonului. Aceste substituții se găsesc cel mai adesea la pozițiile 8, 9 și 10 ale lanțului A.
În același timp, în pozițiile legăturilor disulfurice, a resturilor de aminoacizi hidrofobe în regiunile C-terminale ale lanțului B și a resturilor C- și N-terminale ale lanțului A, substituțiile sunt foarte rare, ceea ce indică faptul că importanţa acestor regiuni pentru manifestarea activităţii biologice a insulinei. Utilizarea modificărilor chimice și a substituțiilor de aminoacizi în aceste regiuni a făcut posibilă stabilirea structurii centrului activ al insulinei, a cărui formare implică resturile de fenilalanină ale lanțului B la pozițiile 24 și 25 și N- și C- reziduuri terminale ale lanțului A.
Biosinteza insulinei presupune formarea a doi precursori inactivi, preproinsulină și proinsulină, care, ca urmare a proteolizei secvențiale, sunt transformate în hormonul activ. Biosinteza preproinsulinei începe cu formarea unei peptide semnal pe poliribozomii asociați cu RE. Peptida semnal pătrunde în lumenul ER și direcționează intrarea lanțului polipeptidic în creștere în lumenul ER. După terminarea sintezei preproinsulinei, peptida semnal, care include 24 de resturi de aminoacizi, este scindată (Fig. 2).
Fig.1. Structura insulinei umane. A. Structura primară a insulinei. B. Modelul structurii terțiare a insulinei (monomer): 1 - lanț A; 2 - lanț B; 3 - situsul de legare la receptor.
Proinsulina (86 de resturi de aminoacizi) pătrunde în aparatul Golgi, unde, sub acțiunea unor proteaze specifice, este scindată în mai multe zone pentru a forma insulina (51 de resturi de aminoacizi) și peptida C, formată din 31 de resturi de aminoacizi.
Insulina și peptida C în cantități echimolare sunt incluse în granulele secretoare. În granule, insulina se combină cu zincul pentru a forma dimeri și hexameri. Granulele mature fuzionează cu membrana plasmatică, iar insulina și peptida C sunt secretate în lichidul extracelular prin exocitoză. După secreția în sânge, oligomerii de insulină se dezintegrează. T1/2 de insulină în plasma sanguină este de 3-10 minute, peptida C - aproximativ 30 de minute. Insulina este distrusă de enzima insulinază, în principal în ficat și într-o măsură mai mică în rinichi.
Reglarea sintezei și secreției de insulină. Glucoza este principalul regulator al secreției de insulină, iar celulele β sunt cele mai importante celule sensibile la glucoză din organism. Glucoza reglează expresia genei insulinei, precum și genele altor proteine implicate în metabolismul purtătorilor de energie de bază. Efectul glucozei asupra ratei de exprimare a genelor poate fi direct, atunci când glucoza interacționează direct cu factorii de transcripție, sau secundar, printr-un efect asupra secreției de insulină și glucagon. Când este stimulată de glucoză, insulina este eliberată rapid din granulele secretoare, care este însoțită de activarea transcripției ARNm a insulinei.
Orez. 2. Schema biosintezei insulinei în β -celulele insulelor Langerhans. ER - reticul endoplasmatic. 1 - formarea unei peptide semnal; 2 - sinteza preproinsulinei; 3 - scindarea peptidei semnal; 4 - transportul proinsulinei către aparatul Golgi; 5 - conversia proinsulinei în insulină și C-peptidă și încorporarea insulinei și C-peptidei în granule secretoare; 6 - secretia de insulina si C-peptida.
Sinteza și secreția de insulină nu sunt procese strict cuplate. Sinteza hormonului este stimulată de glucoză, iar secreția acestuia este un proces dependent de Ca 2+ și, cu deficit de Ca 2+, scade chiar și în condiții de concentrație mare de glucoză, ceea ce stimulează sinteza insulinei.
Consumul de glucoză de către celulele β are loc în principal cu participarea GLUT-1 și GLUT-2, iar concentrația de glucoză în celule egalizează rapid concentrația de glucoză din sânge. În celulele β, glucoza este convertită în glucoză-6-fosfat de către glucokinază, care are un Km mare, drept urmare rata fosforilării sale depinde aproape liniar de concentrația de glucoză din sânge. Enzima glucokinaza este una dintre cele mai importante componente ale aparatului sensibil la glucoză al celulelor β, care, pe lângă glucoză, include probabil produși intermediari ai metabolismului glucozei, ciclul citratului și, eventual, ATP. Mutațiile glucokinazei duc la dezvoltarea unei forme de diabet zaharat.
