Где в клетке идет синтез жиров. Синтез триглицеридов из углеводов. Этапы синтеза жиров из углеводов. Общая схема биосинтеза триацилглицеролов и холестерола из глюкозы

Если когда-нибудь большие количества углеводов попадают в организм, они либо сразу используются для получения энергии, либо запасаются в виде гликогена, а избыток их быстро превращается в триглицериды и хранится в таком виде в жировой ткани. У человека большая часть триглицеридов образуется в печени, но очень небольшие количества могут образовываться и в самой жировой ткани. Триглицериды, образуемые в печени, транспортируются главным образом в виде липопротеинов очень низкой плотности в жировую ткань, где и хранятся.
Превращение ацетил-КоА в жирные кислоты . Первым этапом синтеза триглицеридов является превращение углеводов в ацетил-КоА.

Это происходит во время обычного расщепления глюкозы гликолитической системой. Вследствие того, что жирные кислоты являются крупными полимерами уксусной кислоты, легко представить, каким образом ацетил-КоА может быть превращен в жирную кислоту. Однако синтез жирных кислот не обеспечивается просто изменением направления реакции окислительного расщепления. Этот синтез осуществляется двуступенчатым процессом, показанным на рисунке, с использованием малонил-КоА и НАДФ-Н в качестве основных посредников процесса полимеризации.

Объединение жирных кислот с а-глицерофосфатом при образовании триглицеридов. Как только синтезируемые цепочки жирных кислот начинают включать от 14 до 18 атомов углерода, они взаимодействуют с глицеролом, образуя триглицериды. Ферменты, катализирующие эту реакцию, высокоспецифичны для жирных кислот с длиной цепочки от 14 атомов углерода и выше, что является фактором, контролирующим структурное соответствие триглицеридов, хранящихся в организме.

Образование глицероловой части молекулы триглицерида обеспечивается а-глицерофосфатом, который является побочным продуктом реакции гликолитического расщепления глюкозы.

Эффективность превращения углеводов в жиры . Во время синтеза триглицеридов только 15% потенциально содержащейся в глюкозе энергии теряется в виде тепла. Остальные 85% преобразуются в энергию запасаемых триглицеридов.
Важность синтеза и хранения жиров . Синтез жиров из углеводов особенно важен в связи с двумя обстоятельствами.

1. Способность различных клеток организма запасать углеводы в виде гликогена выражена слабо. Только несколько сотен граммов гликогена может запасаться в печени, скелетных мышцах и всех других тканях организма, вместе взятых. В то же время могут запасаться килограммы жира, поэтому синтез жиров является способом, с помощью которого энергия, содержащаяся в избыточном количестве поступивших в организм углеводов (и белков), может запасаться, чтобы использоваться позднее. Количество энергии, которую запасает организм человека в виде жиров, приблизительно в 150 раз превышает количество энергии, запасаемой в виде углеводов.

2. Каждый грамм жиров содержит почти в 2,5 раза больше энергии, чем каждый грамм углеводов. Следовательно, при одном и той же массе тела организм может запасать в несколько раз больше энергии в виде жиров, чем в виде углеводов, что особенно важно, если необходима высокая степень подвижности, чтобы выжить.

Снижение синтеза жиров из углеводов при отсутствии инсулина. При отсутствии инсулина, как это бывает при тяжелом сахарном диабете, жиров синтезируется мало, если они вообще синтезируются, по следующим причинам. Во-первых, при отсутствии инсулина глюкоза не может попадать в сколько-нибудь существенных количествах в жировые ткани и клетки печени, что не обеспечивает образования достаточных количеств ацетил-КоА и НАДФ-Н, необходимых для синтеза жиров и получаемых при метаболизме глюкозы. Во-вторых, отсутствие глюкозы в жировых клетках существенно снижает количество наличного глицерофосфата, что также затрудняет образование триглицеридов.

Липиды имеют очень большое значение в метаболизме клетки. Все липиды – это органические водонерастворимые соединения, присутствующие во всех живых клетках. По своим функциям липиды разделяются на три группы:

- структурные и рецепторные липиды клеточных мембран

- энергетическое «депо» клеток и организмов

- витамины и гормоны «липидной» группы

Основу липидов составляют жирные кислоты (насыщенные и ненасыщенные) и органический спирт – глицерол. Основную массу жирных кислот мы получаем из пищи (животной и растительной). Животные жиры – это смесь насыщенных (40-60%) и ненасыщенных (30-50%) жирных кислот. Растительные жиры наиболее богаты (75-90%) ненасыщенными жирными кислотами и наиболее полезны для нашего организма.

Основная масса жиров используется для энергетического обмена, расщепляясь специальными ферментами – липазами и фосфолипазами . В результате получаются жирные кислоты и глицерин, которые в дальнейшем используются в реакциях гликолиза и цикла Кребса.С точки зрения образования молекул АТФ - жиры составляют основу энергетического запаса животных и человека.

Эукариотическая клетка получает жиры с пищей, хотя сама может синтезировать большинство жирных кислот (за исключением двух незаменимых – линолевой и линоленовой) . Синтез начинается в цитоплазме клеток с помощью сложного комплекса ферментов и заканчивается в митохондриях или гладком эндоплазматическом ретикулуме.

Исходным продуктом для синтеза большинства липидов (жиров, стероидов, фосфолипидов) служит «универсальная» молекула – ацетил-Коэнзим А (активированная уксусная кислота), являющаяся промежуточным продуктом большинства реакций катаболизма в клетке.

Жиры есть в любой клетке, но особенно много их в специальных жировых клетках – адипоцитах , образующих жировую ткань. Контролируется жировой обмен в организме специальным гормонами гипофиза, а также инсулином и адреналином.

Углеводы (моносахариды, дисахариды, полисахариды) являются важнейшими соединениями для реакций энергетического обмена. В результате распада углеводов клетка получает большую часть энергии и промежуточные соединения для синтеза других органических соединений (белков, жиров, нуклеиновых кислот).

Основную массу сахаров клетка и организм получает извне – из пищи, но может синтезировать глюкозу и гликоген из неуглеводных соединений. Субстратами для разного вида углеводного синтеза выступают молекулы молочной кислоты (лактат) и пировиноградной кислоты (пируват), аминокислоты и глицерин. Эти реакции идут в цитоплазме при участии целого комплекса ферментов – глюкозо-фосфотаз. Для всех реакций синтеза требуется энергия – синтез 1 молекулы глюкозы требует 6 молекул АТФ!

Основной объем собственного синтеза глюкозы протекает в клетках печени и почек, но не идет в сердце, мозге и мышцах (там нет необходимых ферментов). Поэтому нарушения углеводного обмена в первую очередь сказываются на работе этих органов. Углеводный обмен контролируется группой гормонов: гормонами гипофиза, глюкокортикостероидными гормонами надпочечников, инсулином и глюкагоном поджелудочной железы. Нарушения гормонального баланса углеводного обмена приводит к развитию диабета.

Мы кратко рассмотрели основные части пластического обмена. Можно сделать ряд общих выводов:

Лизосомы А) Транспорт веществ по клетке, пространственное разделение реакций в клетке Б) Синтез белка В) Фотосинтез Г) Хранение наследственной информации Д) Немембранные Е) Синтез жиров и углеводов Ж) Содержит ДНК 3) Обеспечение клетки энергией И) Самопереваривание клетки и внутриклеточное пищеварение К) Связь клетки с внешней средой Л) Управление делением ядра М) Есть только у растений Н) Есть только у животных

особенности живой клетки зависят от функционирования биологических мембран

А.избирательная проницаемость

Б. ионный обмен

В. Поглощение и удерживание воды

Г. Изоляция от окружающей среды и
связь с ней

Какая
органелла связывает клетку в единое целое, осуществляет транспорт веществ,
участвует в синтезе жиров, белков, сложных углеводов:

Б.комплекс Гольджи

В.наружная клеточная мембрана

Какое
строение имеют рибосомы:

А. одномембранное

Б. двухмембранное

В. Немембранное

Как
называют внутренние структуры митохондрий:

А. граны

Б. матрикс

В. Кристы

Какие
структуры образованы внутренней мембраной хролопласта:

А. строма

Б.тилакоиды гран

В. Кристы

Г. Тилакоиды стромы

Для каких
организмов характерно ядро:

А. для эукариотов

Б. для прокариотов

Различаются
ли по химическому составу хромосомы и хроматин:

Где
расположена центромера на хромосоме:

А. на первичной перетяжке

Б. на вторичной перетяжке

Какие
органеллы характерны только для растительных клеток:

Б.митохондрии

В. Пластиды

Что
входит в состав рибосом:

Б.липиды

1)рибосома 2)митохондрия 3)эндоплазматическая сеть 4)лизосома
2 В митохондриях атомы водорода отдают электроны при этом энергия используется для синтеза:1)белков 2)жиров 3)углеводов 4)АТФ
3 Все органоиды клетки связаны между собой с помощью:1)клеточной стенки 2)эндоплазматической сети 3)цитоплазмы 4)вакуолей

б) осмотическое давление в клетке г) избирательную проницаемость

2. Оболочки из клетчатки, а также хлоропластов не имеют клетки

а) водорослей б) мхов в) папоротников г) животных

3. В клетке ядро и органоиды расположены в

а) цитоплазме _ в) эндоплазматической сети

б) комплексе Гольджи г) вакуолях

4. На мембранах гранулярной эндоплазматической сети происходит синтез

а) белков б) углеводов в) липидов г) нуклеиновых кислот

5. Крахмал накапливается в

а) хлоропластах б) ядре в) лейкопластах г) хромопластах

6. Белки, жиры и углеводы накапливаются в

а) ядре б) лизосомах в) комплексе Гольджи г) митохондриях

7. В образовании веретена деления участвуют

а) цитоплазма б) клеточный центр в) вакуоль г) комплекс Гольджи

8. Органоид, состоящий из множества связанных между собой полостей, в
которых накапливаются синтезированные в клетке органические вещества - это

а) комплекс Гольджи в) митохондрия

б) хлоропласт г) эндоплазматическая сеть

9. Обмен веществ между клеткой и окружающей ее средой происходит через
оболочку благодаря наличию в ней

а) молекул липидов в) молекул углеводов

б) многочисленных нор г) молекул нуклеиновых кислот

10.Синтезируемые в клетке органические вещества перемещаются к органоидам
а) с помощью комплекса Гольджи в) с помощью вакуолей

б) с помощью лизосом г) по каналам эндоплазматической сети

11.Расщепление органических веществ в клетке, сопровождаемое освобождением.
энергии и синтезом большого числа молекул АТФ происходит в

а) митохондриях б) лизосомах в) хлоропластах г) рибосомах

12. Организмы, клетки которых не имеют оформленного ядра, митохондрий,
комплекса Гольджи, относят к группе

а) прокариот б) эукариот в) автотрофов г) гетеротрофов

13. К прокариотам относятся

а) водоросли б) бактерии в) грибы г) вирусы

14. Ядро играет большую роль в клетке, так как оно участвует в синтезе

а) глюкозы б) липидов в) клетчатки г) нуклеиновых кислот и белков

15. Органоид, отграниченный от цитоплазмы одной мембраной, содержащий
множество ферментов, которые расщепляют сложные органические вещества
до простых мономеров, это

а) митохондрия б) рибосома в) комплекс Гольджи г) лизосома

1)ограничивает содержимое клетки от внешней среды
2)обеспечивает передвижение веществ в клетке
3)обеспечивает связь между органоидами
4)осуществляет синтез молекул белка

Мембраны гладкой эндоплазматической сети выполняет функцию
1)синтез липидов и углеводов
2)синтез белков
3)расщепление белков
4)расщепление углеводов и липидов

Одна из функций комплекса гольджи
1)образование лизосом
2)образование рибосом
3)синтез Атф
4)окисление органических веществ

Молекулы липидов входят в состав
1)плазматической мембраны
2)рибосомы
3)оболочки клетки грибов
4)центриолей
Заранее спасибо кто поможет

3.3. Синтез жиров

Синтезируются жиры из глицерина и жирных кислот. Глицерин в организме возникает при распаде жира (пищевого или собственного), а также легко образуется из углеводов. Жирные кислоты синтезируются из ацетилкофермента А - универсального метаболита организма. Для этого синтеза еще необходимы водород (в форме НАДФН 2) и энергия АТФ. В организме синтезируются только насыщенные и мононенасыщенные (имеющие одну двойную связь) жирные кислоты. Кислоты, содержащие две и более двойных связей в своей молекуле (полиненасыщенные), в организме не синтезируются и должны поступать с пищей. Для синтеза жира также могут быть использованы жирные кислоты - продукты гидролиза пищевого и собственного жиров.

Все участники синтеза жира должны быть в активном виде: глицерин в форме глицерофосфата, а жирные кислоты в форме ацилко-фермента А. Синтез жира осуществляется в цитоплазме клеток (преимущественно жировой ткани, печени, тонкой кишки) и протекает по следующей схеме

Следует подчеркнуть, что глицерин и жирные кислоты могут быть получены углеводов. Поэтому при избыточном потреблении углеводов на фоне малоподвижного образа жизни развивается ожирение.

Лекция 4. Обмен белков

4.1. Катаболизм белков

Белки, входящие в состав клеток организма, также подвергаются постоянному распаду под влиянием внутриклеточных протеолитических ферментов, называемых внутриклеточными протеиназами или катепсинами. Эти ферменты локализованы в специальных внутриклеточных органоидах – лизосомах. Под действием катепсинов белки организма также превращаются в аминокислоты. (Важно отметить, что распад как пищевых, так и собственных белков организма приводит к образованию одних и тех же 20 видов аминокислот.) В сутки расщепляется примерно 200 г белков организма. Поэтому в течение суток в организме появляется около 300 г свободных аминокислот.

4.2. Синтез белков

Большая часть аминокислот используется для синтеза белков. Синтез белков происходит при обязательном участии нуклеиновых кислот.

Первый этап синтеза белка - транскрипция - осуществляется в клеточном ядре с использованием ДНК как источника генетической информации. Генетическая информация обусловливает порядок расположения аминокислот в полипептидных цепях синтезируемого белка. Эта информация закодирована последовательностью азотистых оснований в молекуле ДНК. Каждая аминокислота кодируется сочетанием трех азотистых оснований, называемым кодоном , или триплетом . Участок молекулы ДНК, содержащий информацию об определенном белке, получил название «ген». На этом участке ДНК во время транскрипции по принципу комплементарности синтезируется информационная РНК (иРНК). Эта нуклеиновая кислота представляет собой копию соответствующего гена. Образовавшаяся иРНК выходит из ядра и поступает в цитоплазму. Аналогичным образом на ДНК как на матрице происходит синтез рибосомных (рРНК) и транспортных (тРНК).

В ходе второго этапа – рекогниции (распознавания), протекающего в цитоплазме, аминокислоты избирательно связываются со своими переносчиками - транспортными РНК(тРНК). Молекула каждой тРНК представляет собой короткую полинуклеотидную цепь, содержащую примерно 80 нуклеотидов и частично закрученную в двойную спираль, что приводит к возникновению конфигурации «изогнутого клеверного листа». На одном конце полинуклеотидной цепи у всех тРНК находится нуклеотид, содержащий аденин. К этому концу молекулы тРНК присоединяется аминокислота. Петля, противоположная месту присоединения аминокислоты, содержит антикодон, состоящий из трех азотистых оснований и предназначенный для последующего связывания с комплементарным кодоном иРНК. Одна из боковых петель молекулы тРНК обеспечивает присоединение тРНК к ферменту, участвующему в рекогниции , а другая, боковая, петля необходима для присоединения тРНК к рибосоме на следующем этапе синтеза белка.

На этом этапе в качестве источника энергии используется молекула АТФ. В результате рекогниции образуется комплекс аминокислота-тРНК. В связи с этим второй этап синтеза белка называют активацией аминокислот.

Третий этап синтеза белка - трансляция - происходит на рибосомах. Каждая рибосома состоит из двух частей - большой и малой субчастиц. По химическому составу обе субчастицы состоят из рРНК и белков. Рибосомы способны легко распадаться на субчастицы, которые снова могут соединяться друг с другом, образуя рибосому. Трансляция начинается с диссоциации рибосомы на субчастицы, которые сразу же присоединяются к начальной части молекулы иРНК, поступающей из ядра. При этом между субчастицами остается пространство (так называемый туннель), где располагается небольшой участок иРНК. Затем к образовавшемуся комплексу рибосома - иРНК присоединяются тРНК, связанные с аминокислотами. Присоединение тРНК к этому комплексу происходит путем связывания одной из боковых петлей тРНК с рибосомой и связывания антикодона тРНК с комплементарным ему кодоном иРНК, находящимся в туннеле между субчастицами рибосомы. Одновременно к комплексу рибосома - иРНК могут присоединиться только две тРНК с аминокислотами.

Благодаря специфическому связыванию антикодонов тРНК с кодонами иРНК, к участку молекулы иРНК, находящемуся в туннеле, присоединяются только молекулы тех тРНК, у которых антикодоны комплементарны кодонам иРНК. Поэтому эти тРНК доставляют в рибосомы только строго определенные аминокислоты. Далее аминокислоты соединяются друг с другом пептидной связью и образуется дипептид, который связан с одной из тРНК. После этого рибосома передвигается вдоль иРНК ровно на один кодон (это перемещение рибосомы называется траислокацией ).

В результате транслокации свободная (без аминокислоты) тРНК отщепляется от рибосомы, а в зоне туннеля появляется новый кодон, к которому присоединяется по принципу комплементарности еще одна тРНК с аминокислотой, соответствующей этому кодону. Доставленная аминокислота соединяется с ранее образовавшимся дипептидом, что приводит к удлинению пептидной цепи. Далее следуют новые транслокации, поступление на рибосому новых тРНК с аминокислотами и дальнейшее удлинение пептидной цепи.

Таким образом порядок включения аминокислот в синтезируемый белок определяется последовательностью кодонов в иРНК. Завершается синтез полипептидной цепи при поступлении в туннель особого кодона, который не кодирует аминокислоты и к которому не может присоединиться ни одна тРНК. Такие кодоны называются терминирующими.

В итоге за счет описанных трех этапов синтезируются полипептиды, т. е. формируется первичная структура белка. Высшие (пространственные) структуры (вторичная, третичная, четвертичная) возникают самопроизвольно.

Синтез белков - процесс энергоемкий. Для включения в молекулу синтезируемого белка только одной аминокислоты требуется не менее трех молекул АТФ.

4.3. Метаболизм аминокислот

Помимо синтеза белков аминокислоты еще используются для синтеза различных небелковых соединений, имеющих важное биологическое значение. Часть аминокислот подвергается распаду и превращается в конечные продукты: С0 2 , Н 2 0 и NН 3 Распад начинается с реакций, общих для большинства аминокислот.

К ним относятся:

а) декарбоксилирование - отщепление от аминокислот карбоксильной группы в виде углекислого газа:

Трансаминированию подвергаются все аминокислоты. В этой реакции участвует кофермент - фосфопиридоксаль, для образования которого необходим витамин В 6 - пиридоксин.

Трансаминирование - это главное превращение аминокислот в организме, так как его скорость значительно выше, чем у реакций декар-боксилирования и дезаминирования.

Трансаминирование выполняет две основные функции:

а) за счет трансаминирования одни аминокислоты могут превращаться в другие. При этом общее количество аминокислот не меняется, но изменяется соотношение между ними. С пищей в организм посту пают чужеродные белки, у которых аминокислоты находятся в иных пропорциях по сравнению с белками организма. Путем трансаминирования происходит корректировка аминокислотного состава организма.

б) является составной частью косвенного (непрямого) дезаминирования аминокислот - процесса, с которого начинается распад большинства аминокислот.

На первой стадии этого процесса аминокислоты вступают в реакцию трансаминирования с α-кетоглутаровой кислотой. Аминокислоты при этом превращаются в α-кетокислоты, а α-кетоглутаровая кислота переходит в глутаминовую кислоту (аминокислота).

На второй стадии появившаяся глутаминовая кислота подвергается дезаминированию, от нее отщепляется NН 3 и снова образуется α-кетоглутаровая кислота. Образовавшиеся α-кетокислоты далее подвергаются глубокому распаду и превращаются в конечные продукты С0 2 и Н 2 0. Для каждой из 20 кетокислоr (их образуется столько же, сколько имеется видов аминокислот) имеются свои специфические пути распада. Однако при распаде некоторых аминокислот в качестве промежуточного продукта образуется пировиноградная кислота, из которой возможен синтез глюкозы. Поэтому аминокислоты, из которых возникают такие кетокислоты, получили название глюкогенные. Другие же кетокислоты при своем распаде не образуют пирувата. Промежуточным продуктом у них является ацетилкофермент А, из которого невозможно получить глюкозу, но зато могут синтезироваться кетоновые тела. Аминокислоты, соответствующие таким кетокислотам, называются кетогенные.

Второй продукт косвенного дезаминирования аминокислот - аммиак. Для организма аммиак является высокотоксичным. Поэтому в организме имеются молекулярные механизмы его обезвреживания. По мере образования NН 3 связывается во всех тканях с глутаминовой кислотой с образованием глутамина. Это временное обезвреживание аммиака. С током крови глутамин поступает в печень, где распадается опять на глутаминовую кислоту и NНз. Образовавшаяся глутаминовая кислота с кровью снова поступает в органы для обезвреживания новых порций аммиака. Освободившийся аммиак, а также углекислый газ в печени используются для синтеза мочевины.

Синтез мочевины - циклический, многостадийный процесс, потребляющий большое количество энергии. В синтезе мочевины очень важное участие принимает аминокислота орнитин. Эта аминокислота не входит в состав белков. Образуется орнитин из другой аминокислоты - аргинина, который присутствует в белках. В связи с важной ролью орнитина синтез мочевины получил название орнитиновый цикл.

Впроцессе синтеза к орнитину присоединяются две молекулы аммиака и молекула углекислого газа, и орнитин превращается в аргинин, от которого сразу же отщепляется мочевина, и вновь образуется орнитин. Наряду с орнитином и аргинином в образовании мочевины еще участвуют аминокислоты: глутамин и аспарагиновая кислота. Глутамин является поставщиком аммиака, а аспарагиновая кислота его переносчиком.

Синтез мочевины - это окончательное обезвреживание аммиака. Из печени с кровью мочевина поступает в почки и выделяется с мочой. В сутки образуется 20-35 г мочевины. Выделение мочевины с мочой характеризует скорость распада белков в организме.

Раздел 3. Биохимия мышечной ткани

Лекция 5. Биохимия мышц

5.1. Клеточное строение мышечного волокна

У животных и человека имеются два основных типа мышц: поперечно-полосатые и гладкие. Поперечно-полосатые мышцы прикрепляются к костям, т. е. к скелету, и поэтому еще называются скелетными. Поперечно-полосатые мышечные волокна составляют также основу сердечной мышцы – миокарда, хотя имеются определенные различия в строении миокарда и скелетных мышц. Гладкие мышцы образуют мускулатуру стенок кровеносных сосудов, кишечника, пронизывают ткани внутренних органов и кожу.

Каждая поперечно-полосатая мышца состоит из нескольких тысяч волокон, объединенных соединительнотканными прослойками и такой же оболочкой - фасцией. Мышечные волокна (миоциты) представляют собою сильно вытянутые многоядерные клетки крупного размера длиной до 2-3 см, а в некоторых мышцах даже более 10 см. Толщина мышечных клеток около 0,1-0,2 мм.

Как и любая клетка, миоцит содержит такие обязательные органоиды, как ядра, митохондрии, рибосомы, цитоплазматическую сеть и клеточную оболочку. Особенностью миоцитов, отличающих их от других клеток, является наличие сократительных элементов - миофибрилл.

Ядра окружены оболочкой - нуклеолеммой и состоят в основном из нуклеопротеидов. В ядре содержится генетическая информация для синтеза белков.

Рибосомы - внутриклеточные образования, являющиеся по химическому составу нуклеопротеидами. На рибосомах происходит синтез белков.

Митохондрии - микроскопические пузырьки размером до 2-3 мкм, окруженные двойной мембраной. В митохондриях протекает окисление углеводов, жиров и аминокислот до углекислого газа и воды с использованием молекулярного кислорода (кислорода воздуха). За счет энергии, выделяющейся при окислении, в митохондриях осуществляется синтез АТФ. В тренированных мышцах митохондрии многочисленны и располагаются вдоль миофибрилл.

Цитоплазматическая сеть (саркоплазматическая сеть, саркоплаз-матический ретикулум) состоит из трубочек, канальцев и пузырьков, образованных мембранами и соединенных друг с другом. Саркоплазматическая сеть с помощью особых трубочек, называемых Т-системой, связана с оболочкой мышечной клетки - сарколеммой. Особо следует выделить в саркоплазматической сети пузырьки, называемые цистер нами и содержащие в большой концентрации ионы кальция. В цистернах содержание ионов Са 2+ примерно в тысячу раз выше, чем в цитозоле. Такой высокий градиент концентрации ионов кальция возникает вследствие функционирования фермента - кальциевой аденозинтри-фосфатазы (кальциевая АТФаза), встроенного в стенку цистерны. Этот фермент катализирует гидролиз АТФ и за счет выделяющейся при этом энергии обеспечивает перенос ионов кальция вовнутрь цистерн. Такой Механизм транспорта ионов кальция образно называется кальциевым насосом, или кальциевой помпой.

Цитоплазма (цитозоль, саркоплазма) занимает внутреннее пространство миоцитов и представляет собой коллоидный раствор, содержащий белки, гликоген, жировые капли и другие включения. На долю белков саркоплазмы приходится 25-30% от всех белков мышц. Среди саркоплазматических белков имеются активные ферменты. К ним в первую очередь следует отнести ферменты гликолиза, расщепляющие гликоген или глюкозу до пировиноградной или молочной кислоты. Еще один важный фермент саркоплазмы - креатинкиназа , участвующий в энергообеспечении мышечной работы. Особого внимания заслуживает белок саркоплазмы миоглобин, который по строению идентичен одной из субъединиц белка крови – гемоглобина. Состоит миоглобин из одного полипептида и одного гема. Функция миоглобина заключается в связывании молекулярного кислорода. Благодаря этому белку в мышечной ткани создается определенный запас кислорода. В последние годы установлена еще одна функция миоглобина - это перенос 0 2 от сарколеммы к мышечным митохондриям.

Кроме белков в саркоплазме имеются небелковые азотсодержащие вещества. Их называют, в отличие от белков, экстрактивными веществами, так как они легко экстрагируются водой. Среди них - адениловые нуклеотиды АТФ, АДФ, АМФ и другие нуклеотиды, причем преобладает АТФ. Концентрация АТФ в покое примерно 4-5 ммоль/кг. К экстрактивным веществам также относятся креатинфосфат, его предшественник - креатин и продукт необратимого распада креатинфосфата - креатинин. В покое концентрация креатинфосфата обычно 15-25 ммоль/кг. Из аминокислот в большом количестве имеются глутаминовая кислота и глутамин.

Основной углевод мышечной ткани - гликоген. Концентрация гликогена колеблется в пределах 0,2-3%. Свободная глюкоза в саркоплазме содержится в очень малой концентрации - имеются лишь ее следы. В процессе мышечной работы в саркоплазме происходит накопление продуктов углеводного обмена - лактата и пирувата.

Протоплазматический жир связан с белками и имеется в концентрации 1%. Запасной жир накапливается в мышцах, тренируемых на выносливость.

5.2. Структура сарколеммы

Каждое мышечное волокно окружено клеточной оболочкой - сарколеммой. Сарколемма представляет собою лилопротеидную мембрану толщиной около 10 нм. Снаружи сарколемма окружена сетью из переплетенных нитей белка коллагена. При мышечном сокращении в коллагеновой оболочке возникают упругие силы, за счет которых при расслаблении мышечное волокно растягивается и возвращается в исходное состояние. К сарколемме подходят окончания двигательных нервов. Место контакта нервного окончания с сарколеммой называется нервно-мышечный синапс, или концевая нервная пластинка.

Сократительные элементы - миофибриллы - занимают большую часть объема мышечных клеток, их диаметр около 1 мкм. В нетренированных мышцах миофибриллы расположены рассеянно, а в тренированных они сгруппированы в пучки, называемые полями Конгейма.

5.3. Строение анизотропных и изотропных дисков

Микроскопическое изучение строения миофибрилл показало, что они состоят из чередующихся светлых и темных участков, или дисков. В мышечных клетках миофибриллы располагаются таким образом, что светлые и темные участки рядом расположенных миофибрилл совпадают, что создает видимую под микроскопом поперечную исчерченность всего мышечного волокна. Было обнаружено, что миофибриллы являются сложными структурами, построенными, в свою очередь, из большого числа мышечных нитей (протофибрилл, или филаментов) двух типов - толстых и тонких. Толстые нити имеют диаметр 15 нм, тонкие - 7 нм.

Состоят же миофибриллы из чередующихся пучков параллельно расположенных толстых и тонких нитей, которые концами заходят друг в друга. Участок миофибриллы, состоящий из толстых нитей и находящихся между ними концов тонких нитей, обладает двойным лучепреломлением. При микроскопии этот участок задерживает видимый свет или поток электронов (при использовании электронного микроскопа) и поэтому кажется темным. Такие участки получили название анизотропные, или темные, диски (А-диски).

Светлые участки миофибрилл состоят из центральных частей тонких нитей. Они сравнительно легко пропускают лучи света или поток электронов, так как не обладают двойным лучепреломлением и называются изотропными, или светлыми, дисками (I -диски). В середине пучка тонких нитей поперечно располагается тонкая пластинка из белка, которая фиксирует положение мышечных нитей в пространстве. Эта пластинка хорошо видна под микроскопом в виде линии, идущей поперек I-диска, и названа Z -пластинкой.

Участок миофибриллы между соседними 2-линиями получил название саркомер. Его длина 2,5-3 мкм. Каждая миофибрилла состоит из нескольких сотен саркомеров (до 1000).

5.4. Строение и свойства сократительных белков

Изучение химического состава миофибрилл показало, что толстые и тонкие нити состоят только из белков.

Толстые нити состоят из белка миозина. Миозин - белок с молекулярной массой около 500 кДа, содержащий две очень длинные полипептидные цепи. Эти цепи образуют двойную спираль, но на одном конце эти нити расходятся и формируют шаровидное образование - глобулярную головку. Поэтому в молекуле миозина различают две части - глобулярную головку и хвост. В состав толстой нити входит около 300 миозиновых молекул, а на поперечном срезе толстой нити обнаруживается 18 молекул миозина. Миозиновые молекулы в толстых нитях переплетаются своими хвостами, а их головки выступают из толстой нити по правильной спирали. В головках миозина имеются два важных участка (центра). Один из них катализирует гидролитическое расщепление АТФ, т. е. соответствует активному центру фермента. АТФазная активность миозина впервые обнаружена отечественными биохимиками Энгельгардтом и Любимовой. Второй участок головки миозина обеспечивает во время мышечного сокращения связь толстых нитей с белком тонких нитей - ак тином.

Тонкие нити состоят из трех белков: актина, тропонина и тропо миозина.

Основной белок тонких нитей - актин. Актин - глобулярный белок с молекулярной массой 42 кДа. Этот белок обладает двумя важнейшими свойствами. Во-первых, проявляет высокую способность к полимеризации с образованием длинных цепей, называемых фибриллярным актином (можно сравнить с нитью бус). Во-вторых, как уже отмечалось, актин может соединяться с миозиновыми головками, что приводит к образованию между тонкими и толстыми нитями поперечных мостиков, или спаек.

Основой тонкой нити является двойная спираль из двух цепей фибриллярного актина, содержащая около 300 молекул глобулярного актина (как бы две нити бус, закрученные в двойную спираль, каждая бусинка соответствует глобулярному актину).

Еще один белок тонких нитей – тропомиозин – также имеет форму двойной спирали, но эта спираль образована полипептидными цепями и по размеру гораздо меньше двойной спирали актина. Тропомиозин располагается в желобке двойной спирали фибриллярного актина.

Третий белок тонких нитей – тропонин - присоединяется к тропомиозину и фиксирует его положение в желобке актина, при котором блокируется взаимодействие миозиновых головок с молекулами глобулярного актина тонких нитей.

5.5. Механизм мышечного сокращения

Мышечное сокращение является сложным механохимическим процессом, в ходе которого происходит преобразование химической энергии гидролитического расщепления АТФ в механическую работу, совершаемую мышцей.

В настоящее время этот механизм еще полностью не раскрыт. Но достоверно известно следующее:

Источником энергии, необходимой для мышечной работы является АТФ.

Гидролиз АТФ, сопровождающийся выделением энергии, катализируется миозином, который, как уже отмечалось, обладает ферментативной активностью.

Пусковым механизмом мышечного сокращения является повышение концентрации ионов Са в саркоплазме миоцитов, вызываемое двигательным нервным импульсом.

Во время мышечного сокращения между толстыми и тонкими нитями миофибрилл возникают поперечные мостики, или спайки.

Во время мышечного сокращения происходит скольжение тонких нитей вдоль толстых, что приводит к укорочению миофибрилл и всего мышечного волокна в целом.

Имеется много гипотез, пытающихся объяснить молекулярный механизм мышечного сокращения. Наиболее обоснованной в настоящее время является гипотеза «весельной лодки », или «гребная» гипотеза X. Хаксли. В упрощенном виде ее суть заключается в следующем.

В мышце, находящейся в состоянии покоя, толстые и тонкие нити миофибрилл друг с другом не соединены, так как участки связывания на молекулах актина закрыты молекулами тропомиозина.

Мышечное сокращение происходит под воздействием двигательного нервного импульса, представляющего собой волну повышенной мембранной проницаемости, распространяющуюся по нервному волокну.

Эта волна повышенной проницаемости передается через нервно-мышечный синапс на Т-систему саркоплазматической сети и в конечном счете достигает цистерн, содержащих ионы кальция в большой концентрации. В результате значительного повышения проницаемости стенки цистерн ионы кальция выходят из цистерн и их концентрация в саркоплазме за очень короткое время (около 3 мс) возрастает в 1000 раз. Ионы кальция, находясь в высокой концентрации, присоединяются к белку тонких нитей - тропонину - и меняют его пространственную форму (конформацию). Изменение конформации тропонина, в свою очередь, приводит к тому, что молекулы тропомиозина смещаются вдоль желобка фибриллярного актина, составляющего основу тонких нитей, и освобождают тот участок актиновых молекул, который предназначен для связывания с миозиновыми головками. В результате этого между миозином и актином (т. е. между толстыми и тонкими нитями) возникает поперечный мостик, расположенный под углом 90°. Поскольку в толстые и тонкие нити входит большое число молекул миозина и актина (около 300 в каждую), то между мышечными нитями образуется довольно большое количество поперечных мостиков, или спаек. Образование связи между актином и миозином сопровождается повышением АТФазной активности последнего, в результате чего происходит гидролиз АТФ:

АТФ + Н 2 0 АДФ + Н 3 Р0 4 + энергия

За счет энергии, выделяющейся при расщеплении АТФ, миозиновая головка, подобно шарниру или веслу лодки, поворачивается и мостик между толстыми и тонкими нитями оказывается под углом 45°, что приводит к скольжению мышечных нитей навстречу друг другу. Совершив поворот, мостики между толстыми и тонкими нитями разрываются. АТФазная активность миозина вследствие этого резко снижается, и гидролиз АТФ прекращается. Но если двигательный нервный импульс продолжает поступать в мышцу и в саркоплазме сохраняется высокая концентрация ионов кальция, поперечные мостики вновь образуются, АТФазная активность миозина возрастает и снова происходит гидролиз новых порций АТФ, дающий энергию для поворота поперечных мостиков с последующим их разрывом. Это ведет к дальнейшему движению толстых и тонких нитей навстречу друг другу и укорочению миофибрилл и мышечного волокна.

Учебно -методический комплекс по дисциплине по по биохимии . 2. Следующим...

Энергичное образование жиров за счет углеводов происходит в созревающих семенах и плодах, накапливающих значительное количе­ство жиров.

Так же как и у микроорганизмов, жир из углеводов в созревающих семенах и плодах растений образуется при достаточном доступе кислорода, так как часть потребляемого сахара окисляется полностью до диоксида углерода и воды, а выде­ляемая при этом энергия используется на процесс синтеза жира. Вместе с тем образующиеся из саха­ра жирные кислоты содержат значительно меньше кислорода (около 11- 12%), чем исходный сахар, например глюкоза (около 50%). Поэтому кис­лород, необходимый для осуществления синтеза жирных кислот, частично берется из самого сахара, и потребление атмосферного кислорода снижается. В результате дыхательные коэффициенты у созревающих масличных семян, так же как и у микроорганизмов, образующих жир из сахара, значительно пре­вышают 1 (дыхательные коэффициенты у созревающих семян клещевины дости­гают 4,71).

Составные части жира - глицерин и жирные кислоты - образуются из сахаров. Главным источником компонентов жира являются гексозы, в первую очередь глюкоза и фруктоза. Однако исходным веществом, исполь­зуемым на синтез жира в растительном организме, могут быть не только гексозы, но также пентозы и продукты глубокой диссимиляции углеводов, содержащие два или три углеродных атома в молекуле. Глицерин, необходимый для синтеза жиров, образуется в процессе анаэроб­ной диссимиляции углеводов путем восстановления глицеринового альдегида, получающегося из фруктозодифосфата под действием фермента альдолазы. Исходным материалом для синтеза насыщенных жирных кислот служит ак­тивный ацетил в виде ацетилкофермента А. Для этого процесса необходимы Мn 2+ и СО 2 , который вступает в реакцию с ацетилкоферментом А, образуя малонилкофермент А - важнейший промежуточный продукт ферментативного синтеза жирных кислот. В процессе присоединения CO 2 к ацетилкоферменту А важную каталитическую роль играет биотин, а источником энергии служит АТР. Схема­тически процесс биосинтеза малонилкофермента А можно представить следующим образом:

Таким образом, фактический источник двууглеродного фрагмента, последова­тельно присоединяющегося при синтезе жирных кислот, - малонилкофермент А. Биотин же является коферментом фермента ацетил-СоА - карбоксилазы, кото­рый в процессе синтеза жирных кислот катализирует реакцию присоединения СО 2 .

Высшие насыщен­ные жирные кислоты превращаются в ненасыщенные в результате реакций, в ко­торых участвуют NADPH и кислород. Например, олеиновая кислота может синтезироваться из стеариновой кислоты путем отнятия отпоследней водорода. В листьях синтез жирных кислот осуществляется не в хлоропластах, а в семенах - в пропластидах. В этих органеллах синтезируется пальмитиновая кислота, которая затем, при участии кислорода и ферредоксина, окисляется и превращается в олеиновую кислоту. Эта последняя, уже вне хлоропластов или пропластид, подвергается разнообразным модификациям - гидроксилированию, восстановлению, конденсации. В результате образуется все многообразие содержащихся в растениях жирных кислот.

Процесс расщепления жира в растительном организме происходит особенно энергично при прорастании масличных семян. Он начинается с гидролитическо­го распада жиров, происходящего под действием липазы и сопровождающегося накоплением глицерина и свободных жирных кислот. Образующиеся глицерин и жирные кислоты чрезвычайно быстро используются для различных синтезов, протекающих в развивающемся ростке. При этом главным продуктом, возникаю­щим в результате превращения жиров, является сахар. Необходимо отметить, что при прораста­нии богатых жиром семян образуются не только гексозы, но и пентозы. Этот факт указывает на то, что во время прорастания семени жир расщепляется до низко­молекулярных соединений, содержащих два или три углеродных атома в молеку­ле. Путем конденсации этих низкомолекулярных соединений образуются затем различные моносахариды и другие вещества.

Важнейший этап диссимиляции жирных кислот - b -окисление, когда окисление жирной кислоты происходит у того углеродного атома, который находится в b-положении по отношению к карбоксильной группе.

В результате происходит разрыв углеродной цепочки жирной кислоты между a- и b-углеродными атомами с образованием ацетильного радикала и новой высо­комолекулярной жирной кислоты, содержащей на два углеродных атома меньше, чем подвергшаяся окислению первоначальная жирная кислота. Процесс b-окисления жирных кислот осуществляется при участии кофермента А и начинается с его присоединения к молекуле жирной кислоты.

Затем происходит отнятие водорода в a-b-положении, осуществляемое под действием флавинового фермента. Далее по месту двойной связи присоединяется молекула воды и образует b-оксикислота. Образовавшаяся b-оксикислота подвергается окислению путем отнятия водо­рода, которое происходит при участии NAD+, что приводит к образованию b-кетокислоты.

Последний этап b-окисления жирной кислоты - расщепление возникающей b-кетокислоты, происходящее под действием новой молекулы кофермента A.

В результате образуется ацетилкофермент А и соединенный с другим остатком коэнзима А радикал новой жирной кислоты, содержащей на два углеродных ато­ма меньше, чем молекула исходной жирной кислоты.

Новая кислота может снова подвергнуться b-окислению, пока не окислится полностью.

Таким образом, конечный продукт b-окисления жирных кислот -ацетилСоА. Он либо полностью окисляется до CO 2 и H 2 O, вступая в цикл трикарбоновых кислот, либо используется на синтез углеводов в глиоксилатном цикле. FADH 2 и NADH, образующиеся при b-окислении, окисляются в ды­хательной цепи с одновременным образованием пяти молекул АТР. Так как на первом этапе b-окисления расходуется одна молекула АТР, то «чистый» выход АТР на первом этапе составляет четыре молекулы АТР. Таким образом, при пол­ном окислении до СО 2 и H 2 O одной молекулы пальмитиновой кислоты C 16 H 32 О 2 выход продуктов реакции и АТР будет следующий.

1. В результате семи этапов b-окисления, на каждом из которых образуется пять молекул АТР, возникает 35 молекул АТР. С вычетом одной молекулы АТР, расходуемой на первом этапе, получаем 34 молекулы.

2. Полное окисление восьми молекул ацетил-СоА в цикле трикарбоновых кислот дает 96 молекул АТР (окисление одной молекулы ацетил-СоА дает 12 моле­кул АТР).

3. Таким образом, образуется 16 молекул СО 2 и 16 молекул Н 2 О и возникает 130 молекул АТР.

Ацетил-СоА, возникающий при р-окислении жирных кислот, может не только полностью окисляться до СО 2 и Н 2 О, но также использоваться на синтез различ­ных соединений, в частности углеводов. Именно этот процесс синтеза углеводов из жира происходит при прорастании богатых жиром семян. При этом ацетил-СоА, образующийся в результате b-окисления, включается в реакции цикла глиоксилевой кислоты и дает щавелевоуксусную кислоту, а затем яблочную кислоту, которая далее превращается в фосфоенолпировиноградную кислоту, а последняя - в углеводы.

Ранее было указано, что превращение жиров в сахара при прорастании бога­тых маслом семян происходит в особых субклеточных структурах - глиоксисо­мах. Этот процесс получил название гликонеогенеза. Жир под действием липаз гидролизуется до жирных кислот и глицерина. Жирные кислоты, окисляясь, образуют ацетил-СоА, который через серию реакций глиоксилатного цикла, локализованных главным образом в глиоксисомах, дает щавелевоуксусную кислоту, превращающуюся далее в фосфоенолпируват. Глицерин же дает фосфотриозы, которые, как и фосфоенолпируват, служат исходным материалом для синтеза глюкозы и фруктозы путем обращения процесса анаэробного расщепления глюкозы.

Наличие ферментативных реакций, лежащих в основе такого превращения, доказано для прорастающих семян клещевины, тыквы, арахиса и подсолнечника.