Контрольная работа по биохимии

Подождите немного. Документ загружается.

Фермент глутаматдегидрогёназа катализирует как реакцию дезаминирования,

так и обратимую реакцию — аминирования, что приводит к образованию

глутаминовой кислоты из аммиака и а-кетоглутаровой кислоты. Этот процесс

называется восстановительным аминированием.

Трансаминирование аминокислот — это реакция переноса аминогруппы с

аминокислоты на кетокислоту. Такие реакции обратимы и получили название

"переаминирование", или "трансаминирование". В ходе реакций

трансаминирования образуются новые амино- и кетокислоты:

В настоящее время изучено более 60 реакций трансаминирования. Они

катализируются сложными ферментами аминотрансферазами, коферментом

которых является фосфопиридоксаль (витамин В6). Реакциям трансаминирования

принадлежит решающая роль в азотистом обмене организма, так как при этом

образуются новые кислоты. Эти реакции поставляют в печень почти половину

аммиака, который обезвреживается в процессе синтеза мочевины и выводится из

организма как конечный продукт азотистого обмена.

Декарбоксилирование аминокислот — это также один из путей превращения

аминокислот в тканях, связанный с отщеплением карбоксильной группы и

выделением углекислого газа (СО2). При декарбоксилировании монокарбоновых

аминокислот образуются амины и СО2. Функционально важной реакцией такого

типа является декарбоксилирование аминокислоты гистидина, ведущее к

образованию тканевого гормона гистамина:

Реакции декарбоксилирования катализируются ферментами —

декарбоксилазами аминокислот, коферментом которых является также

фосфопиридоксаль (витамин В6). Декарбоксилирование аминокислот —

необратимый процесс превращения аминокислот, который приводит к образованию

биогенных аминов, отличающихся чрезвычайной биологической активностью.

Многие аминокислоты и продукты их превращения могут вступать в цикл

окисления или биосинтеза других классов веществ. Преврашение отлельных

аминокислот в углеволы и жиры. Аминокислоты имеют разные углеродные скелеты

и свои метаболические пути превращения. В процессе катаболизма они могут

превращаться в отдельные метаболиты цикла лимонной кислоты, в

пировиноградную кислоту либо в ацетил-КоА (кофермент (коэнзим)А).

В дальнейшем эти метаболиты могу превращаться в глюкозу либо в жирные

кислоты и кетоновые тела. Аминокислоты, из которых в процессе глюконеогенеза

образуется глюкоза называются глюкогенными, а из которых образуются жирные

кислоты и кетоновые тела — кетогенными. Часть аминокислот окисляется до

конечных продуктов обмена СО2 и Н2О с накоплением энергии. Однако

аминокислоты обеспечивают только 10-15 % энергопотребления организма.

Мочевина — основной конечный продукт распада белков и нуклеиновых

кислот. В процессе катаболизма белков и нуклеиновых кислот, в частности при

дезаминировании аминокислот, в тканях организма образуется свободный аммиак

(NН3), а также кетокислоты и другие вещества.

Свободный аммиак — токсичное для организма человека вещество, особенно

для мозга. Токсичность его связана с возможным локальным изменением рН в

отдельных частях клетки или заряда на клеточной мембране. Поэтому в организме

существует несколько механизмов связывания и обезвреживания свободного

аммиака. Непосредственное связывание аммиака в тканях, где он образуется,

осуществляется с участием глутаминовой и аспарагиновой аминокислот, которые

превращаются в амиды — глутамин и аспарагин. Реакция связывания требует

энергии АТФ и катализируется глутамин- или аспарагинсинтетазами.

Амиды являются временной формой обезвреживания аммиака. Они легко

проникают через клеточные мембраны и доставляют аммиак в печень. В печени

глутамин легко превращается в глутаминовую кислоту и свободный аммиак.

Доставленный в печень аммиак обезвреживается в процессе синтеза мочевины.

Часть свободного аммиака в клетках связывается в процессе образования новых

аминокислот.

Процесс синтеза мочевины — сложный ферментативный цикл,

начинающийся с реакции, в которой участвует аминокислота орнитин, поэтому он

называется орнитиновым циклом. Цикл включает 5 основных реакций.

Первой реакцией является взаимодействие молекул свободного аммиака

(NН3) и углекислого газа (СО2) с участием АТФ. В ходе этой реакции образуется

высокоэнергетический карбамилфосфат , который далее вступает во

взаимодействие с аминокислотой орнитин с образованием цитрулина и фосфорной

кислоты. Эти реакции протекают в митохондриях. Образовавшийся цитрулин из

митохондрий поступает в цитоплазму, где взаимодействует с молекулой

аспарагиновой кислоты (аспартат), которая поставляет вторую аминогруппудля

синтеза мочевины. В этой реакции используется энергия молекулы АТФ и

образуется сложное вещество — аргининоянтарная кислота (аргининосукцинат).

Аргининоянтарная кислота ферментативно расщепляется на фумаровую кислоту

(фумарат) и аргинин. Аргинин под действием высокоспецифического фермента

аргиназы расщепляется на мочевину и орнитин. Образовавшийся орнитин может

вступать во взаимодействие с новой молекулой карбамилфосфата, а мочевина

выводится из организма. Суммарное уравнение синтеза мочевины имеет вид

Мочевина является основным конечным продуктом обмена белков и других

азотсодержащих веществ. С мочевиной выводится около 10-18 г общего азота

организма человека, тогда как с аминокислотами - до 1,15 г, амминийными солями -

до 1 г, креатином -до 0,8 г, мочевой кислотой - до 0,2 г. Мочевина из печени

поступает в кровь, затем в почки и выводится с мочой.

Содержание мочевины в норме в крови взрослых людей индивидуально и

составляет 3,5-6,5 ммоль • л (20-30 мг%). По изменению ее содержания в крови

диагностируют скорость процесса распада тканевых белков. В практике спорта

мочевина широко используется как биохимический показатель процессов

восстановления в организме после физических нагрузок.

Опишите процесс анаэробных превращений углеводов (гликолиз). Какова

энергетическая эффективность и роль гликолиза при мышечной деятельности.

Опишите пути устранения из организма образующейся при работе молочной

кислоты.

Анаэробное окисление глюкозы, которое называется гликолизом, включает

реакции постепенного превращения ее молекулы в пировиноградную кислоту, а

затем при недостаточности кислорода в тканях — в молочную кислоту. Этот

процесс сопровождается образованием АТФ и выделением тепловой энергии.

Гликолиз протекает преимущественно в скелетных мышцах при интенсивных

физических нагрузках или в условиях гипоксии. Образовавшаяся молочная кислота

из мышц поступает в кровь, доставляется в печень, где аэробно окисляется или

используется для новообразования глюкозы. Извлечение метаболической энергии

из углеводов происходит почти во всех клетках организма человека и включает две

основные фазы — бескислородное (анаэробное) окисление, которое протекает в

цитозоле преимущественно скелетных мышц и называется гликолизом, и

кислородное (аэробное) окисление, протекающее в митохондриях на ферментах

цикла лимонной кислоты и дыхательной цепи.

Гликолиз — это постепенный распад молекулы глюкозы или гликогена

(гликогенолиз) до двух молекул пировиноградной кислоты, которая в анаэробных

условиях превращается в молочную кислоту. Он включает десять химических

реакций. Этот процесс можно разделить на две основные стадии —

подготовительную и окислительную. В подготовительной стадии молекула глюкозы

постепенно распадается до двух молекул 3-фосфоглицеринового альдегида, при

этом используется две молекулы АТФ. В окислительной стадии происходит

дальнейшее их окисление с образованием пирувата и четырех молекул АТФ.

Начинается гликолиз с активации молекулы глюкозы в присутствии АТФ с

образованием глюкозо-6-фосфата или фосфоролиза гликогена с

отщеплениемглюкозо-1-фосфата. Реакция фосфорилирования глюкозы

катализируется ферментом гексокиназой и требует наличия ионов Mg. Гексокиназа

— это регуляторный аллостерический фермент, активность которого зависит от

содержания АТФ в клетке. При низкой концентрации АТФ фермент активен, а при

высокой ее концентрации — не активен и процесс гликолиза «выключается», так

как энергия в данный момент не используется.

Далее глюкозо-6-фосфат превращается в фруктозо-6-фосфат с участием

фермента глюкозофосфатизомеразы. Фруктозо-6-фосфат фосфорилируется с

использованием энергии АТФ, в результате чего образуется фруктозе-1,6-дифосфат.

Реакция катализируется ферментом фосфофруктокиназой. Фосфофруктокиназа

является ключевым аллостерическим ферментом, регулирующим скорость

гликолиза. Его активность зависит от концентрации АТФ и других метаболитов

(молочной кислоты, цитрата), которые влияют на его активность. Так, в мышцах в

состоянии покоя концентрация АТФ относительно высокая и процесс гликолиза не

активен. Во время работы мышцы интенсивно расходуется АТФ, что повышает

активность ФФК и приводит к усилению гликолиза. Однако накопление молочной

кислоты — конечного продукта анаэробного гликолиза — ингибирует этот фермент

и скорость гликолиза.

Первый этап гликолиза завершает реакция расщепления фруктозо1,6-

дифосфата на две триозы — фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиацетон

под воздействием фермента альдолазы. Образовавшиеся триозы являются

изомерами и способны взаимопревращаться. В последующие реакции гликолиза

вступают две модели 3-фосфоглицеринового альдегида.

Окислительная стадия начинается с окисления 3-фосфоглицеринового

альдегида при участии дегидрогеназы, содержащей кофермент НАД

(никотинамидадениндинуклеотид, окисленный), и фосфорной кислоты. Кофермент

НАД в этой реакции присоединяет водород и превращается в НАДН

(никотинамидадениндинуклеотид, восстановленный). В аэробных условиях НАДН,

может передать водород на кислород с образованием ЗАТФ. Образовавшаяся 1,3-

дифосфоглицериновая кислота содержит макроэргетическую связь и способна

вступить в реакцию перефосфорилирования с АДФ, ведущую к образованию АТФ и

3-фосфоглицериновой кислоты. Такой процесс образования АТФ называется

субстратным фосфорилированием. Он катализируется ферментом

фосфоглицераткиназой.

Фосфоглицериновая кислота под влиянием фермента фосфоглицеромутазы

превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту. Последняя при участии фермента

энолазы теряет молекулу воды и превращается в фосфоэнолпировиноградную

кислоту. В результате внутримолекулярного окислительно-восстановительного

процесса у второго углеродного атома этой кислоты образуется макроэргическая

связь, при разрыве которой с участием фермента пируваткиназы происходит

перенос фосфорного остатка от фосфоэнолпировиноградной кислоты на АДФ

(второе субстратное фосфорилирование), а также образование двух молекул

пировиноградной кислоты и двух молекул АТФ.

Гликолиз в анаэробных условиях завершается реакцией восстановления

пировиноградной кислоты до молочной под воздействием фермента

лактатдегидрогеназы. Источником водорода служат молекулы НАДН,

образующиеся при окислении 3-фосфоглицеринового альдегида. Таким образом,

конечным продуктом анаэробного гликолиза является молочная кислота. В

аэробных условиях пировиноградная кислота не превращается в молочную и

окисляется далее в цикле лимонной кислоты до конечных продуктов обмена.

Суммарное уравнение процесса гликолиза можно

представить в виде

В процессе гликолиза постепенно высвобождается 196 кДж энергии. Большая

часть ее рассеивается в виде тепла (135 кДж), а меньшая — накапливается в

макроэргических связях двух молекул АТФ. Эффективность запасания энергии в

форме АТФ при гликолизе составляет 40 %. Основная часть энергии,

аккумулированной в молекуле глюкозы (2880 кДж), остается в продукте гликолиза

— двух молекулах молочной кислоты и может высвобождаться только при их

аэробном окислении. В гликолизе образуются многие вещества, необходимые для

пластических процессов в клетках. Особенно много при этом накапливается

молочной кислоты, которая быстро диффундирует из скелетных мышц в кровь и

влияет на кислотно-основное состояние организма. Уровень молочной кислоты в

крови только до некоторой степени отражает интенсивность гликолиза в мышцах,

поскольку кислота частично метаболизирует в них. В норме концентрация

молочной кислоты в крови находится в пределах 1-1,5 ммоль • л. Молочная кислота

в водной среде диссоциирует на протон водорода (Н+) и анион кислотного остатка:

Анион кислотного остатка молочной кислоты в водной среде способен

взаимодействовать с катионами металлов (Na+, K+) и образовывать соли —

лактаты. Поэтому часто молочную кислоту называют лактат. Гликолиз и

гликогенолиз играют важную роль при мышечной деятельности анаэробного

характера. Они обеспечивают энергией интенсивную работу в пределах от 30 с до 2-

5 мин.

Молочная кислота образуется в мышцах с наибольшей скоростью в течение

40-45 с интенсивной физической нагрузки за счет максимального включения

анаэробного гликолиза. Уровень молочной кислоты при этом повышается в 4-5 раз

и после напряженной работы в течение 1-5 мин может достигать 10 ммоль • л и

более. Это приводит к закиоцению среды организма (ацидозу). Если емкость

буферных систем исчерпывается, рН крови может изменяться от 7,34 до 7,0 или

даже 6,8 при истощающих нагрузках. Такое закисление среды организма влияет на

функции нервной системы и скелетных мышц, приводит к снижению

работоспособности и развитию утомления. Поскольку концентрация молочной

кислоты в крови зависит от интенсивности гликолиза в мышцах, а последний — от

интенсивности выполняемых физических нагрузок и уровня тренированности

организма, показатель содержания молочной кислоты в крови широко используется

в биохимическом контроле функционального состояния спортсмена После

прекращения работы около 55-70 % молочной кислоты используется тканями, в том

числе мышцами, как источник энергии, около 5-7 % выводится с мочой, а остальная

часть используется в печени для новообразования глюкозы и восполнения

гликогена в мышцах. Выведение молочной кислоты из мышц, ее окисление после

прекращения работы ускоряет-

ся при активном отдыхе.

При физических нагрузках усиливается метаболизм, в том числе тех

процессов, которые приводят к накоплению кислых продуктов. В скелетных

мышцах в процессе гликолиза (анаэробного окисления глюкозы) накапливается

молочная кислота. Она поступает в кровь и может изменять кислотно-щелочное

равновесие организма. При умеренных (аэробных) физических нагрузках молочная

кислота образуется в незначительном количестве, поэтому существенного

изменения рН крови не наблюдается. Интенсивные физические нагрузки

анаэробной направленности, особенно спринтерские дистанции в беге и плавании,

приводят к значительному накоплению молочной кислоты в скелетных мышцах и

выходу ее в кровь. При этом в скелетных мышцах и крови рН снижается до 7,0 или

даже до 6,5. Закисление внутренней среды организма называется ацидозом.

Ацидотическое состояние может сопровождаться болевыми ощущениями в

мышцах и снижением физической работоспособности. .Ацидоз является фактором,

вызывающим утомление организма. После прекращения работы рН мышц и крови

быстро нормализуется (в пределах 30 мин). Болевые ощущения, связанные с

изменением рН внутренней среды организма при физических нагрузках, также

исчезают в этот период времени.

Для предотвращения развития ацидоза спортсмены перед стартом, особенно

бегуны на короткие дистанции, иногда проводят гипервентиляцию легких.

Гипервентиляция — глубокое и интенсивное дыхание в течение нескольких секунд

— понижает концентрацию СО2 в легких и крови, что вызывает повышение рН

крови до 7,6 или защелачивание (алкалоз).

У высокотренированныхспортсменов при развитии метаболического ацидоза

обычно сохраняется высокая работоспособность за счет адаптации

физиологических систем организма к изменениям внутренней среды, а также за

счет большой эффективности работы химических буферных систем, которые

препятствуют изменению рН среды.

Молочная кислота, образующаяся в работающих мышцах в результате

усиления анаэробного гликолиза, подвергается окислительному устранению в

первые минуты отдыха после окончания упражнения. В начальный период

восстановления концентрация молочной кислоты в работающих мышцах

превышает ее концентрацию в крови, затем происходит быстрый отток

накопившейся в мышцах за время работы молочной кислоты в кровь. Обычно к 7-

10-й минуте восстановительного периода концентрация молочной кислоты в

мышцах и крови достигает равновесия, а на более поздних этапах восстановления

(от 20 мин и далее) ее концентрация в крови превышает содержание лактата в

мышцах. В этот период мышцы становятся основным местом окислительного

устранения избытка накопившейся молочной кислоты в организме. Для устранения

половины количества молочной кислоты, которое накопилось за время работы

требуется около 25 мин. Часть молочной кислоты (свыше 60%), образовавшейся за

время работы, подвергается полному окислению до СО2 и воды. За счет

выделившейся энергии аэробного окисления часть молочной кислоты (до 20%)

превращается в гликоген в ходе процесса глюконеогенеза, а другая часть

используется для новообразования аминокислот и в последующем может быть

обнаружена в составе вновь синтезируемых тканевых белков, и только

незначительная ее часть экскретируется с мочой и потом.

Процесс устранения молочной кислоты в период восстановления после

работы тесно связан со скоростью оплаты медленной фракции кислородного долга.

Соотношение между количеством устраненной молочной кислоты и количеством

потребленного кислорода при ликвидации медленной фракции кислородного долга

обнаруживает значительные индивидуальные различия в зависимости от типа

выполняемого упражнения и условий отдыха после работы. Устранение молочной

кислоты после работы заметно ускоряется, если во время восстановления будут

выполняться упражнения умеренной интенсивности. Наибольшая скорость

устранения молочной кислоты, накопившейся за время работы, достигается в