Биохимия фотосинтеза

Фотосинтез — это процесс преобразования солнечной энергии в химическую, происходящий в клетках растений, водорослей и некоторых бактерий. Он включает в себя несколько этапов, которые можно разделить на световую и темновую фазы.

1. Световая фаза (фотохимическая реакция):
Световая фаза фотосинтеза происходит в тилакоидных мембранах хлоропластов. Она включает два основных фотосистемы: фотосистема II (PS II) и фотосистема I (PS I), которые участвуют в захвате солнечной энергии и её преобразовании в химическую форму.

1.1. В процессе возбуждения хлорофилловых молекул светом происходит их электрохимическое возбуждение. Это возбуждение приводит к высвобождению электрона, который затем передается по электронным транспортным цепям.

1.2. В фотосистеме II вода расщепляется до кислорода, протонов и электронов. Эти электроны поступают в электронно-транспортную цепь, а протоны (H+) активно перекачиваются в тилакоидное пространство, создавая протонный градиент.

1.3. Протоны, движущиеся через АТФ-синтазу, способствуют синтезу АТФ (аденозинтрифосфата), который является источником энергии для процессов темновой фазы.

1.4. В фотосистеме I электроны, полученные из фотосистемы II, возбуждаются и передаются на НАДФ+ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат), восстанавливая его до НАДФН. Этот процесс способствует синтезу NADPH — молекулы, необходимой для последующих реакций.

2. Темновая фаза (Цикл Кальвина):
Темновая фаза фотосинтеза происходит в строме хлоропластов и представляет собой серию реакций, которые используют АТФ и НАДФН, полученные в световой фазе, для синтеза углеводов. Основные этапы:

2.1. Фиксация углерода:
Рубиско (рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилаза/оксигеназа) катализирует присоединение молекулы углекислого газа (CO2) к рибулозо-1,5-бисфосфату (РубП), образуя нестабильный 6-углеродный интермедиат, который распадается на два молекулы 3-фосфоглицерид (3-ФГ).

2.2. Восстановление:
В ходе серии реакций 3-ФГ восстанавливается с использованием АТФ и НАДФН, образуя глицеральдегид-3-фосфат (Г3П), который является ключевым промежуточным продуктом в синтезе углеводов.

2.3. Регенерация рибулозо-1,5-бисфосфата:
Г3П используется для регенерации РубП, что позволяет циклу продолжаться. Для регенерации одного молекулы РубП требуется 3 молекулы Г3П и несколько молекул АТФ.

3. Эффективность и регулирование фотосинтеза:
Эффективность фотосинтетических процессов зависит от различных факторов: интенсивности света, концентрации углекислого газа, температуры и доступности воды. Например, высокая температура может снижать активность фермента рубиско, что ведет к уменьшению скорости фотосинтеза. Также на процесс фотосинтеза влияет открытие и закрытие устьиц, что регулирует поступление CO2 в листья.

4. Продукция и использование органических веществ:
Продукты темновой фазы, такие как Г3П, могут быть использованы для синтеза глюкозы, фруктозы, целлюлозы и других углеводов. Эти органические вещества являются основными источниками энергии и строительных блоков для клеток растения и других организмов, питающихся растениями.

Таким образом, фотосинтез представляет собой ключевую биохимическую реакцию для поддержания жизни на Земле, преобразуя солнечную энергию в химическую, которая используется живыми организмами для роста, размножения и поддержания жизни.

Связь метаболизма аминокислот и органических кислот с энергетическим обменом

Метаболизм аминокислот и органических кислот тесно интегрирован с энергетическим обменом через участие в цикле трикарбоновых кислот (цикл Кребса), гликолизе, глюконеогенезе и процессах окислительного фосфорилирования.

Аминокислоты подвергаются дезаминированию с образованием соответствующих кетокислот, которые могут входить в метаболические пути энергетического обмена. Например, аминокислоты с углеродным скелетом, преобразуемым в ацетил-CoA, пируват, ?-кетоглутарат, сукцинил-CoA, фумарат или оксалоацетат, служат как субстраты для цикла Кребса. Через этот цикл происходит окисление органических кислот, что обеспечивает восстановительные эквиваленты NADH и FADH2, необходимые для синтеза АТФ в митохондриях.

Органические кислоты, являясь промежуточными метаболитами цикла Кребса, обеспечивают энергетический обмен за счет окисления до CO2 с одновременным переносом электронов на дыхательную цепь. При этом метаболизм аминокислот также регулирует баланс азота, обеспечивая экскрецию аммиака в форме мочевины, что является энергетически затратным процессом, затрагивающим общий метаболизм клетки.

Некоторые аминокислоты, такие как глутамат и аспартат, служат не только источниками энергии, но и участвуют в транспорте аминогрупп и поддержании пула промежуточных соединений цикла Кребса (анаплеротические реакции). Через эти механизмы аминокислотный обмен поддерживает метаболическую гибкость и энергетическую стабильность клеток.

Таким образом, метаболизм аминокислот и органических кислот является ключевым элементом энергетического обмена, обеспечивая поступление углеродных скелетов в цикл Кребса, регуляцию уровня восстановительных эквивалентов и поддержание азотистого баланса.

Биохимические процессы старения на клеточном уровне

Старение клеток сопровождается комплексом биохимических изменений, которые приводят к снижению функциональной активности и гомеостаза. Ключевыми процессами являются:

1. Оксидативный стресс и повреждение макромолекул
   Накопление реактивных форм кислорода (РОК) — супероксид-анион, перекись водорода, гидроксильные радикалы — вызывает окислительное повреждение ДНК, белков и липидов. Митохондрии при старении становятся менее эффективными и выделяют больше РОК, что усиливает цикл повреждений. Повреждение ДНК приводит к мутациям и активации каспаз, белков p53, способствующих апоптозу или клеточному старению.

2. Телеомерное укорочение
   Каждое деление клетки сопровождается укорочением теломер — концевых участков хромосом, защищающих геном от деградации. При достижении критически короткой длины теломеры теряют способность поддерживать стабильность ДНК, что запускает клеточное старение (сенесценцию) и апоптоз.

3. Нарушение протеостаза
   С возрастом снижается эффективность системы шаперонов (например, HSP70) и протеасом, ответственных за правильную сборку и деградацию поврежденных белков. Агрегация неправильно свернутых белков приводит к клеточной дисфункции и воспалению.

4. Изменения в митохондриальной функции
   Дисфункция митохондрий уменьшает синтез АТФ, повышает продукцию РОК и вызывает митохондриальный стресс. Происходит снижение митохондриального биогенеза и ухудшается динамика митохондрий (фузия/фиссия), что нарушает энергетический обмен и метаболизм.

5. Активизация воспалительных путей (инфламмейджинг)
   Хроническая активация путей NF-?B и NLRP3-инфламмасомы приводит к повышенному высвобождению провоспалительных цитокинов (IL-6, TNF-?), что способствует системному воспалению и усилению клеточного повреждения.

6. Метаболические нарушения
   Нарушается сигнальная передача инсулина и IGF-1, уменьшается активность sirtuins (SIRT1-7), регулирующих энергетический обмен, стрессоустойчивость и репарацию ДНК. Это ведет к снижению клеточной выживаемости и регенерации.

7. Эпигенетические изменения
   Происходит гиперметилирование или гипометилирование ДНК, модификации гистонов, изменение профиля микроРНК, что влияет на экспрессию генов, регулирующих клеточный цикл, стресс и апоптоз.

8. Клеточная сенесценция
   Угнетение циклин-зависимых киназ и активация ингибиторов клеточного цикла (p16^INK4a, p21^CIP1) приводит к остановке деления клеток и накоплению сенесцентных клеток с секреторным фенотипом SASP, который усиливает воспаление и повреждение окружающих тканей.

9. Автофагия и лизосомальная дисфункция
   С возрастом снижается эффективность аутофагии — механизма удаления поврежденных органелл и белков, что ведет к накоплению клеточного мусора, включающего липофусцин и другие агрегаты.

Суммарно данные биохимические процессы формируют молекулярные основания клеточного старения, способствуя прогрессированию возрастных заболеваний и функциональному снижению тканей.

Ферменты и их влияние на биохимические реакции

Ферменты — это биологические катализаторы, преимущественно белковые молекулы, которые значительно ускоряют скорость протекания химических реакций в живых организмах без изменения своей структуры в процессе реакции. Они снижают энергию активации, необходимую для начала реакции, что позволяет биохимическим процессам протекать при физиологических температурах и условиях.

Основной механизм действия ферментов заключается в специфическом связывании с субстратом в активном центре, образуя фермент-субстратный комплекс. Это связывание обеспечивает правильную ориентацию субстрата, стабилизацию переходного состояния и уменьшение энтропийного барьера, что повышает вероятность протекания реакции.

Ферменты обладают высокой специфичностью как к субстратам, так и к типам химических реакций, что обусловлено уникальной пространственной структурой активного центра. Благодаря этому ферменты обеспечивают избирательное регулирование метаболических путей и поддержание гомеостаза.

Кроме того, ферменты могут подвергаться регуляции через аллостерические взаимодействия, ковалентные модификации (например, фосфорилирование), изменение экспрессии генов или взаимодействие с ингибиторами и активаторами, что позволяет клетке адаптировать скорость биохимических реакций к изменяющимся условиям.

В результате ферментативной катализы скорость биохимических реакций увеличивается в миллионы раз, что является фундаментальным для жизнедеятельности клеток и организма в целом.

Флавоноиды и их роль в организме

Флавоноиды представляют собой группу органических соединений, принадлежащих к классу полифенолов, которые широко распространены в растениях. Они выполняют разнообразные функции, включая защиту растений от ультрафиолетового излучения, патогенных микроорганизмов и других экологических стрессоров. У человека флавоноиды играют важную роль в поддержании здоровья, благодаря своим антиоксидантным, противовоспалительным, антиканцерогенным и кардиозащитным свойствам.

1. Антиоксидантная активность: Одной из ключевых ролей флавоноидов в организме является их способность нейтрализовать свободные радикалы, что предотвращает окислительный стресс. Окислительный стресс связан с развитием многих хронических заболеваний, включая сердечно-сосудистые заболевания, диабет и нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера. Флавоноиды, такие как кверцетин и ресвератрол, обладают мощной антиоксидантной активностью, способствуя защите клеток и тканей организма от повреждения.

2. Противовоспалительное действие: Флавоноиды снижают уровень воспаления в организме, блокируя активность воспалительных медиаторов, таких как цитокины и простагландины. Это может способствовать снижению риска развития воспалительных заболеваний, таких как артрит, а также уменьшению воспаления в организме, что важно для профилактики различных хронических заболеваний.

3. Сердечно-сосудистая защита: Некоторые флавоноиды, такие как антоцианы и катехины, оказывают положительное влияние на здоровье сердечно-сосудистой системы. Они способствуют расширению кровеносных сосудов, улучшению микроциркуляции, снижению уровня холестерина в крови и предотвращению образования атеросклеротических бляшек. Это помогает снижать риск сердечно-сосудистых заболеваний, включая инфаркты и инсульты.

4. Антиканцерогенные свойства: Флавоноиды обладают способностью модулировать различные пути, участвующие в развитии опухолей. Они способны ингибировать пролиферацию раковых клеток, стимулировать апоптоз (запрограммированную смерть клеток) и подавлять метастазирование. Например, кверцетин и эпигаллокатехин-3-галлат (EGCG) проявляют противоопухолевую активность, что делает флавоноиды потенциальными кандидатами для использования в профилактике и лечении рака.

5. Регуляция обмена веществ: Флавоноиды могут влиять на метаболизм углеводов и жиров, помогая регулировать уровень глюкозы в крови и снижая риск развития метаболического синдрома. Например, некоторые флавоноиды повышают чувствительность тканей к инсулину, что может быть полезным при профилактике диабета 2 типа.

6. Поддержка иммунной системы: Флавоноиды способствуют укреплению иммунной системы, улучшая фагоцитарную активность макрофагов, усиливая активность Т-лимфоцитов и стимулируя продукцию цитокинов. Это помогает организму бороться с инфекциями и поддерживать общий иммунный статус.

7. Психоактивное воздействие: Некоторые флавоноиды, например, ресвератрол, обладают нейропротекторными свойствами и могут способствовать улучшению когнитивных функций и памяти. Эти эффекты связаны с их способностью уменьшать нейровоспаление и улучшать кровоснабжение мозга.

Таким образом, флавоноиды представляют собой важные биологически активные компоненты растительных продуктов, которые оказывают широкий спектр полезных эффектов на здоровье человека. Включение в рацион продуктов, богатых флавоноидами, может существенно способствовать профилактике множества заболеваний и поддержанию общего состояния организма.

Биохимия клеточного транспорта веществ через мембрану

1. Введение в клеточный транспорт

   • Значение мембранного транспорта для жизнедеятельности клетки.

   • Основные функции клеточных мембран: барьерная, избирательная проницаемость, защита от токсинов, поддержание гомеостаза.

2. Типы клеточного транспорта

   • Активный транспорт.

   • Пассивный транспорт.

   • Обусловленные мембранами механизмы: простое диффузия, облегчённая диффузия, активный транспорт через насосы и ионные каналы.

3. Пассивный транспорт

   • Простая диффузия: механизмы переноса молекул (вода, кислород, углекислый газ) через липидный бислой мембраны.

   • Облегчённая диффузия: транспорт через мембранные белки (транспортеры и каналы). Примеры: глюкоза, аминокислоты.

   • Законы диффузии: зависимость скорости диффузии от градиента концентрации, температуры и толщины мембраны.

4. Активный транспорт

   • Определение: перенос веществ против градиента концентрации с использованием энергии АТФ.

   • Основные механизмы: насосы, ионные каналы, вторичный активный транспорт.

   • Примеры: натрий-калиевый насос (Na+/K+), насос протонов (H+), перенос глюкозы через клеточную мембрану.

   • Роль ионных градиентов в клеточном метаболизме.

5. Транспорт ионных каналов

   • Структура и функция ионных каналов: селективность, проводимость.

   • Гибкость каналов, реакции на сигналы (электрические, химические).

   • Примеры: калиевые, натриевые, кальциевые каналы.

6. Механизмы эндоцитоза и экзоцитоза

   • Эндоцитоз: пиноцитоз, фагоцитоз. Преимущества и роль в клеточном метаболизме.

   • Экзоцитоз: механизм выделения веществ из клетки (секреция гормонов, нейротрансмиттеров).

   • Регуляция эндоцитоза и экзоцитоза через мембранные рецепторы.

7. Клеточные транспорты в патофизиологии

   • Нарушения транспортных механизмов и их роль в заболеваниях.

   • Примеры: cystic fibrosis, синдром Леви, нарушения работы насосов (например, мутации в Na+/K+ насосах).

   • Роль клеточного транспорта в раковых клетках и метастазировании.

8. Заключение

   • Важность точного функционирования механизмов клеточного транспорта для поддержания клеточного гомеостаза.

   • Влияние на развитие лекарств и терапевтических стратегий, направленных на модуляцию транспортных процессов.

План лекции по биохимии процессов окислительного стресса

1. Введение в окислительный стресс
   1.1. Определение и сущность окислительного стресса
   1.2. Источники реактивных кислородных видов (РКВ)
   1.3. Основные типы активных форм кислорода (АФК) и активных форм азота (АФА)

2. Механизмы образования реактивных кислородных видов
   2.1. Митохондриальный дыхательный цепь и утечка электронов
   2.2. Флавопротеиновые окислительные ферменты (например, НАДФН-оксидаза)
   2.3. Ферментные реакции перекисного окисления липидов и реакции Фентона
   2.4. Влияние внешних факторов (излучение, токсические вещества)

3. Биохимические эффекты окислительного стресса
   3.1. Перекисное окисление липидов: механизмы и последствия
   3.2. Окислительное повреждение белков (окисление аминокислот, образование ковалентных сшивок)
   3.3. Окислительное повреждение нуклеиновых кислот (мутации, разрывы ДНК)
   3.4. Нарушение клеточных мембран и сигнальных путей

4. Антиоксидантные системы клетки
   4.1. Ферментативные антиоксиданты: супероксиддисмутаза (СОД), каталаза, глутатионпероксидаза
   4.2. Неферментативные антиоксиданты: глутатион, витамины С и Е, коэнзим Q
   4.3. Механизмы регуляции и индукции антиоксидантных ферментов (Nrf2-путь)

5. Роль окислительного стресса в патофизиологии
   5.1. Воспаление и иммунный ответ
   5.2. Старение и апоптоз
   5.3. Хронические заболевания: сердечно-сосудистые, нейродегенеративные, онкологические заболевания
   5.4. Метаболические нарушения и диабет

6. Методы изучения окислительного стресса
   6.1. Биохимические маркеры перекисного окисления липидов (малоновый диальдегид, 4-гидроксиноненаль)
   6.2. Определение активности антиоксидантных ферментов
   6.3. Методы детекции реактивных кислородных видов (флуоресцентные зондирования, ESR)
   6.4. Молекулярно-биологические методы анализа окислительного повреждения ДНК

7. Терапевтические подходы и профилактика
   7.1. Антиоксидантная терапия и её ограничения
   7.2. Роль питания и биологически активных веществ
   7.3. Перспективы разработки новых лекарственных средств, мишени для терапии

Катаболизм углеводов и их энергетическая ценность

Катаболизм углеводов представляет собой многоступенчатый процесс расщепления сложных углеводов до простых моносахаридов и дальнейшего их окисления для получения энергии в клетке. Основные пути катаболизма включают гликолиз, цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса) и окислительное фосфорилирование.

1. Гликолиз — первичный путь расщепления глюкозы (C?H??O?) в цитоплазме клетки, не требующий кислорода. В результате одной молекулы глюкозы образуется две молекулы пирувата, сгенерировано 2 молекулы АТФ и 2 молекулы НАДН. Пируват далее может поступать в митохондрии для окисления или подвергаться анаэробному превращению (лактат, этанол).

2. Преобразование пирувата — в митохондриях пируват подвергается окислению под действием пируватдегидрогеназного комплекса с образованием ацетил-КоА, который поступает в цикл Кребса. При этом выделяется CO? и восстанавливается НАД? до НАДН.

3. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса) — ацетил-КоА соединяется с оксалоацетатом, образуя цитрат, который далее проходит серию реакций окисления и декарбоксилирования. За один оборот цикла образуются 3 молекулы НАДН, 1 молекула ФАДН? и 1 молекула ГТФ (или АТФ). Цикл протекает в матриксе митохондрий.

4. Окислительное фосфорилирование — электроны, полученные от НАДН и ФАДН?, транспортируются по цепи переноса электронов, расположенной на внутренней митохондриальной мембране. Этот процесс сопровождается образованием протонного градиента, который используется АТФ-синтазой для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата.

Общая энергетическая ценность полного окисления одной молекулы глюкозы достигает примерно 30-32 молекул АТФ: 2 из гликолиза, 2 из цикла Кребса и около 26-28 при окислительном фосфорилировании.

Другие углеводы, такие как галактоза и фруктоза, вводятся в метаболические пути через промежуточные соединения, которые конвертируются в гликолитические интермедиаты, что позволяет их использовать для получения энергии по тем же механизмам.

Таким образом, катаболизм углеводов является основным энергетическим процессом в клетках, обеспечивающим высокоэффективное преобразование химической энергии в форму, доступную для биохимических реакций и жизнедеятельности.

Транспортировка и хранение кислорода в организме: роль гемоглобина и миоглобина

Гемоглобин и миоглобин — ключевые белки, обеспечивающие транспортировку и накопление кислорода в организме. Гемоглобин — это тетрамерный белок, содержащий четыре субъединицы, каждая из которых связана с гемом — железосодержащим прототипом, способным связывать молекулу кислорода (O?) посредством ковалентного взаимодействия с ионом Fe??. Гемоглобин локализуется в эритроцитах и осуществляет транспорт кислорода из легких к тканям, а также обратную транспортировку углекислого газа и протонов.

Механизм связывания кислорода гемоглобином характеризуется кооперативностью, проявляющейся в виде сигмоидальной кривой диссоциации O?. Это значит, что связывание одной молекулы кислорода повышает аффинность к остальным молекулам O?. Такая кооперативность обусловлена конформационными изменениями белка: переходом от низкоаффинного состояния T (tense) к высокоаффинному состоянию R (relaxed). В легких, где концентрация кислорода высока, гемоглобин находится преимущественно в состоянии R, обеспечивая эффективное насыщение кислородом. В тканях с низким парциальным давлением кислорода происходит переход в состояние T, что способствует высвобождению кислорода.

Миоглобин — моноспецифический, моносубъединичный белок, содержащий один гем, локализованный преимущественно в скелетных и сердечных мышцах. Его функция заключается в накоплении кислорода и обеспечении его поступления к митохондриям для аэробного метаболизма. В отличие от гемоглобина, миоглобин проявляет гиперболическую кривую связывания кислорода, что указывает на высокую аффинность и отсутствие кооперативности. Он связывает кислород при низких парциальных давлениях и медленно его высвобождает, что обеспечивает резерв кислорода в мышечной ткани.

Хранение кислорода миоглобином позволяет поддерживать аэробное дыхание при кратковременных гипоксических условиях и интенсивной мышечной активности. В совокупности, гемоглобин обеспечивает эффективную доставку кислорода по кровотоку, а миоглобин — локальное хранение и поддержание доступности кислорода в тканях.

Цитратный цикл и его связь с метаболическими путями

Цитратный цикл (также известен как цикл Кребса или цикл трикарбоновых кислот) представляет собой ключевой этап аэробного метаболизма, происходящий в матриксе митохондрий. Он играет центральную роль в окислении углеводов, жиров и белков, с целью получения энергии, необходимой для клеточной деятельности. Цикл начинается с конденсации ацетил-КоА с оксалоацетатом, образуя цитрат, который затем претерпевает серию реакций, в ходе которых происходит окисление и декарбоксилирование, с образованием энергии в виде NADH, FADH2 и GTP (или ATP).

Цитратный цикл включает в себя восемь ключевых ферментативных шагов:

1. Конденсация ацетил-КоА с оксалоацетатом с образованием цитрата (цитратсинтаза).

2. Изомеризация цитрата в изоцитрат (аконитаза).

3. Окисление изоцитрата до ?-кетоглутарата с образованием NADH и CO2 (изоцитратдегидрогеназа).

4. Декарбоксилирование ?-кетоглутарата до сукцинил-КоА с образованием NADH и CO2 (?-кетоглутаратдегидрогеназа).

5. Преобразование сукцинил-КоА в сукцинат с образованием GTP или ATP (сукцинил-КоА синтаза).

6. Окисление сукцината до фумарата с образованием FADH2 (сукцинатдегидрогеназа).

7. Гидратация фумарата до малата (фумараза).

8. Окисление малата до оксалоацетата с образованием NADH (малатдегидрогеназа).

Цитратный цикл тесно связан с другими метаболическими путями, включая гликолиз, ?-окисление жирных кислот и метаболизм аминокислот. Продукты гликолиза, такие как пируват, превращаются в ацетил-КоА, который является основным источником углерода для цитратного цикла. Жирные кислоты, после процесса ?-окисления, также обеспечивают ацетил-КоА, который входит в цикл. Аминокислоты, в зависимости от их структуры, могут быть превращены в различные промежуточные соединения цикла, такие как ?-кетоглутарат, сукцинат или фумарат, что позволяет интегрировать аминокислотный обмен в общую метаболическую сеть.

Кроме того, энергетические молекулы, такие как NADH и FADH2, произведенные в ходе цитратного цикла, передаются в цепь переносчиков электронов, где происходит синтез ATP через окислительное фосфорилирование. Таким образом, цитратный цикл является важным связующим звеном в клеточном энергетическом метаболизме, обеспечивая как получение энергии, так и синтез промежуточных продуктов для биосинтетических путей.

Биохимия гликогенолиза и гликогенеза в печени и мышцах

Гликогенолиз — процесс расщепления гликогена до глюкозы-1-фосфата (Г1Ф) с последующим образованием глюкозы-6-фосфата (Г6Ф). В печени глюкоза-6-фосфат гидролизуется до свободной глюкозы под действием фермента глюкозо-6-фосфатазы, которая отсутствует в мышцах. Таким образом, печень способна поставлять глюкозу в кровоток, а мышцы — использовать глюкозу внутри клетки для энергообразования.

Основной фермент гликогенолиза — гликогенфосфорилаза, катализирующий отщепление глюкозных остатков с нередуцирующих концов гликогеновых цепей с образованием Г1Ф. Активность гликогенфосфорилазы регулируется фосфорилированием (активная форма — фосфорилированная) под действием фосфорилазы киназы. Фосфорилаза киназа, в свою очередь, активируется цАМФ-зависимой протеинкиназой при гормональном сигнале (глюкагон в печени, адреналин в мышцах). Также регуляция происходит аллостерически: например, в мышцах AMP активирует гликогенфосфорилазу.

Дебrанчинговый фермент (4-?-глюканотранслогаза и ?-1,6-глюкозидаза) удаляет разветвления гликогена, обеспечивая полное расщепление.

Гликогенез — процесс синтеза гликогена из глюкозы. Глюкоза сначала фосфорилируется до Г6Ф, затем преобразуется в Г1Ф под действием фосфоглюкомутазы. Далее глюкозный остаток переносится с УТФ-глюкозы (образованной УТФ-глюкозо-пирофосфорилазой) на растущую цепь гликогена с помощью фермента гликогенсинтазы. Этот фермент является ключевым лимитирующим этапом гликогенеза и регулируется фосфорилированием (дефосфорилированная форма активна).

Фермент разветвления (гликозил-4:6-трансфераза) формирует ?-1,6-гликозидные связи, создавая разветвления в полимере для увеличения растворимости и доступности гликогена.

Регуляция гликогенеза и гликогенолиза происходит гормонально (инсулин стимулирует гликогенез, снижая фосфорилирование гликогенсинтазы; глюкагон и адреналин стимулируют гликогенолиз через цАМФ-путь) и метаболически (уровни АТФ, глюкозы-6-фосфата, AMP).

В мышцах гликоген служит локальным резервом энергии, поэтому гликогенолиз там активируется адреналином и высоким уровнем AMP во время физической нагрузки. В печени гликогенолиз главным образом регулирует гомеостаз глюкозы в крови.

Механизмы свертывания крови

Свертывание крови — это сложный процесс, состоящий из серии биохимических реакций, направленных на предотвращение кровопотерь при повреждении сосудов. Он осуществляется через активацию каскадных реакций, которые приводят к образованию нерастворимого фибрина, образующего кровяной сгусток. Процесс свертывания крови делится на три основные фазы: вазоспазм, образование первичной гемостазной пробки и коагуляция.

1. Вазоспазм и первичная гемостазная пробка

   При повреждении сосудистой стенки происходит ее сужение — вазоспазм, что помогает уменьшить кровотечение на месте повреждения. В это время в поврежденной области активируются тромбоциты. Они приклеиваются к месту повреждения через рецепторы (например, GP Ib), связываясь с коллагеном и другими компонентами экстрацеллюлярного матрикса сосудистой стенки. Это способствует активации тромбоцитов, которые, в свою очередь, начинают выделять аденозиндифосфат (ADP), тромбоксан A2 и другие медиаторы, что приводит к агрегации тромбоцитов и формированию первичной гемостазной пробки.

2. Активация коагуляции (каскад свертывания)

   Коагуляция происходит через серию каскадных реакций, в которых активируются специальные белки — коагуляционные факторы. Основная роль в процессе свертывания крови принадлежит белкам, известным как прокоагулянты. Эти белки находятся в плазме крови в неактивной форме, и их активация зависит от повреждения сосудистой стенки.

   Каскад свертывания можно разделить на три стадии:

   • Инициация: Повреждение эндотелия активирует тканевый фактор (TF), который связывается с фактором VII, активируя его до формы VIIa. Комплекс TF-VIIa активирует фактор X, превращая его в Xa.

   • Пропагация: Сформированный фактор Xa, в присутствии фактора Va и кальция, активирует протромбин (фактор II) до тромбина (IIa). Тромбин далее активирует факторы V, VIII и XI, что усиливает процесс.

   • Образование фибринового сгустка: Тромбин играет ключевую роль в превращении фибриногена (фактор I) в фибрин (фактор Ia), который затем полимеризуется и образует нерастворимый фибриновый сгусток, стабилизируя его с помощью активации XIII фактора (фактор, ответственный за перекрестную связь фибринов).

3. Регуляция свертывания

   Система свертывания крови регулируется ингибиторами, которые предотвращают избыточное образование сгустков. Основные ингибиторы включают:

   • Протеин С и протеин S: В активной форме протеин C, активируемый тромбином в присутствии протеина S, инактивирует факторы Va и VIIIa, что приводит к торможению процесса свертывания.

   • Антитромбин III: Этот ингибитор нейтрализует активированные формы факторов IXa, Xa, XIa и XIIa, а также тромбин.

   • Тканевая факторный ингибитор (TFPI): Этот белок ингибирует активность тканевого фактора и его комплекса с фактором VIIa.

4. Лизис сгустка

   После завершения процесса свертывания и формирования сгустка начинается его растворение — фибринолиз. Это происходит благодаря активации плазминогена, который превращается в активный плазмин, расщепляющий фибрин и восстанавливающий нормальную проходимость сосудов. Этот процесс регулируется такими белками, как активатор плазминогена (tPA) и ингибиторы плазминогена (PAI-1).

Таким образом, свертывание крови представляет собой многокомпонентную систему, где ключевую роль играют взаимодействия между клеточными и растворимыми компонентами крови, а также различные регуляторные механизмы, обеспечивающие сбалансированное реагирование на повреждения сосудов.

Сравнение аэробного и анаэробного катаболизма глюкозы

Аэробный катаболизм глюкозы включает несколько последовательных этапов: гликолиз, окислительное декарбоксилирование пирувата, цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) и дыхательную цепь. В гликолизе одна молекула глюкозы (C6H12O6) расщепляется на две молекулы пирувата (C3H4O3), образуя при этом 2 молекулы АТФ и 2 молекулы НАДH. Затем пируват транспортируется в митохондрии, где под действием пируватдегидрогеназного комплекса происходит его окислительное декарбоксилирование с образованием ацетил-КоА и НАДH. Ацетил-КоА вступает в цикл трикарбоновых кислот, где происходит дальнейшее окисление с высвобождением CO2, а также генерация НАДH и ФАДH2. Электроны, переносимые НАДH и ФАДH2, поступают в дыхательную цепь (электронно-транспортную систему), расположенную во внутренней мембране митохондрий. В результате протонного градиента, создаваемого переносом электронов, происходит синтез значительного количества АТФ (около 30-32 молекул АТФ на молекулу глюкозы) за счет окислительного фосфорилирования. Основной конечный акцептор электронов — молекулярный кислород, который восстанавливается до воды.

Анаэробный катаболизм глюкозы происходит в отсутствие кислорода и ограничивается гликолизом с последующим восстановлением пирувата до продуктов ферментации. В процессе гликолиза, аналогично аэробному пути, глюкоза расщепляется до пирувата с образованием 2 молекул АТФ и 2 молекул НАДH. Для регенерации НАД+ необходимого для поддержания гликолиза пируват восстанавливается ферментативно: у животных — до молочной кислоты (лактат), у дрожжей и некоторых бактерий — до этанола и CO2. Анаэробный путь обеспечивает значительно меньше энергии — 2 молекулы АТФ на молекулу глюкозы. Пируват не окисляется полностью, не вовлекается ЦТК и дыхательная цепь. Восстановление НАД+ критично для непрерывного протекания гликолиза в условиях дефицита кислорода.

Ключевые отличия:

1. Наличие кислорода: Аэробный путь требует кислорода как конечного акцептора электронов; анаэробный — нет.

2. Полное окисление: Аэробный катаболизм ведет к полному окислению глюкозы до CO2 и воды, анаэробный — к частичному расщеплению с образованием молочной кислоты или спиртов.

3. Выработка АТФ: Аэробный путь значительно эффективнее (около 30-32 АТФ), анаэробный — 2 АТФ на молекулу глюкозы.

4. Локализация: Аэробный катаболизм включает митохондрии; анаэробный ограничивается цитоплазмой.

5. Регенерация НАД+: В аэробном пути НАДH окисляется в дыхательной цепи, в анаэробном — путем ферментативного восстановления пирувата.

Биохимические основы окислительного стресса и антиоксидантной защиты

Окислительный стресс возникает в результате дисбаланса между образованием реактивных кислородных видов (РОС) и системой антиоксидантной защиты организма, приводя к повреждению клеточных структур, включая липиды, белки и нуклеиновые кислоты. Основные источники РОС включают митохондриальный дыхательный цепь, пероксисомы, ферментативные реакции с участием ксантиноксидазы, цитохромов и NADPH-оксидазы.

Реактивные кислородные виды включают супероксид-анион (O2•?), перекись водорода (H2O2), гидроксильный радикал (•OH) и другие формы, способные вызывать окислительные повреждения. Супероксид-анион формируется путем однократного переноса электрона на молекулу кислорода, после чего супероксиддисмутаза (СОД) катализирует его дисмутацию в H2O2. Перекись водорода относительно стабильна, но в присутствии ионов переходных металлов (Fe2+, Cu+) может превращаться в наиболее реактивный •OH через реакцию Фентона.

Антиоксидантная система представлена ферментативными и неферментативными компонентами. К ключевым ферментам относятся супероксиддисмутазы (SOD), каталаза (CAT), глутатионпероксидаза (GPx). SOD катализирует превращение O2•? в H2O2, CAT разрушает H2O2 до воды и кислорода, а GPx редуцирует пероксиды липидов и H2O2 с использованием восстановленного глутатиона (GSH).

Неферментативные антиоксиданты включают малые молекулы, способные напрямую нейтрализовать РОС, такие как витамины С и Е, глутатион, убихинон (коэнзим Q10), каротиноиды и полифенолы. Витамин Е, являясь липофильным антиоксидантом, защищает липидные мембраны от перекисного окисления, тогда как витамин С восстанавливает окисленную форму витамина Е и действует в водной фазе клетки.

Ключевым элементом антиоксидантной защиты является регенерация и поддержание редуцированного состояния глутатиона (GSH), который функционирует как донор электронов при детоксикации перекисей, с образованием окисленной формы (GSSG), которая восстанавливается глутатионредуктазой с использованием NADPH.

Дисфункция в регуляции окислительного баланса ведет к накоплению окисленных макромолекул, нарушению функции клеток и тканей, запуску воспалительных и апоптотических процессов, что ассоциировано с развитием многих заболеваний, включая сердечно-сосудистые патологии, нейродегенеративные расстройства, рак и процессы старения.