Гликолиз, глюконеогенез, регуляция, значение

Министерство здравоохранения Республики
Узбекистан
Центр развития медицинского образования
Ташкентская медицинская академия
«УТВЕРЖДАЮ»
Проректор по учебной части ТМА
профессор _________ О. Р. Тешаев
«____» ______________ 2012 г.
Кафедра: БИОРГАНИЧЕСКАЯ И БИОЛОГИЧЕСКАЯ
ХИМИЯ
Предмет: БИОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
ТЕМА:
ГЛИКОЛИЗ, ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ,
РЕГУЛЯЦИЯ, ЗНАЧЕНИЕ
ЕДИНАЯ МЕТОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
(учебно-методическая разработка для преподавателей и
студентов)
Такент – 2012 г.
Составители: доцент М.Ю. Ходжаева
профессор А.А.Хожиметов
Рецензенты: профессор Соатов – зав.кафедрой
биоорганической и биологической химии
ТашПМИ;
доцент Шарипова П. А. – доцент кафедры
нормальной, патологической физиологии
и патологической анатомии
Методические разработки утверждена
ученом совета
“____” 2012 г, протокол _______,
ЦМК ТМА “____”____2012 год,
протокол ______
2
ТЕМА: ГЛИКОЛИЗ, ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ,
РЕГУЛЯЦИЯ, ЗНАЧЕНИЕ.
1. Место проведения занятия, оснащение:
- кафедра биоорганической и биологической химии;
- слайды, схемы, таблицы, раздаточный материал, реактивы, посуда,
новые информационные технологии;
- кодоскоп, мультимедийный проектор, видеодвойка.
2. Продолжительность изучения темы:
- 3 часа.
3. Цель занятия:
Уметь применять сведения о функциях углеводов, об их синтезе,
катабализме, о взаимосвязи этих процессов и механизмах регуляции для
анализа симптомов заболеваний, возникающих при нарушении обмена
углеводов.
Задачи:
Студент должен знать:
- Органы и ткани, где протекает анаэробный и аэробный гликолиз.
- Значение анаэробного гликолиза для работающей мышцы. Цикл Кори.
- Окислительное декарбоксилирование пирувата и участие в нем витамина
В1.
- Обеспечение организма глюкозой при голодании и безуглеводном питании.
Студент должен уметь:
-анаэробный распад глюкозы в мышцах, ферменты участвующие в этом
процессе, определение конечных продуктов гликолиза;
-синтез глюкоза из неуглеводных продуктов, как процесс протекающий с
потреблением энергии.
4. Мотивация:
Анаэробный и аэробный гликолиз – это источник АТФ для организма.
Глюконеогенез – эндогенный источник глюкозадля поддержания его уровня
в крови, что необходимо прежде всего, для энергообеспечения мозга.
Известно много болезней связанных с нарушением процессов метаболизма
глюкозы, которые можно объяснить исходя из молекулярных механизмов
вышеназванных процессов.
5. Межпредметные и внутрипредметные связи:
Для более глубокого понимания этой темы необходимы знания,
полученные по предметам химия и биология. Изучение данной темы
поможет студенту более глубоко осмыслить и понять такие предметы, как
3
патологическая физиология,
клиническая фармакология.
фармакология,
терапия,
стоматология,
6. Содержание занятия.
6.1.Теоретическая часть.
Катаболизм глюкозы.
В клетках человека глюкоза расщепляется по трем путям: аэробное (с
участием кислорода) расщепление глюкозы, анаэробное (без участия
кислорода) расщепление глюкозы и пентозофосфатный путь. При этом
глюкоза в клетках в результате взаимодействия АТФ фосфорилируется с
образованием глюкозо-6-фосфата. Эту реакцию катализирует фермент
гексокиназа. Глюкоза способна проходить через клеточные мембраны, в то
время как для глюкозо-6-фосфатамембраны непроницаемы. Таким образом, в
результате фосфорилирования глюкоза «запирается» в клетки.
Анаэробное расщепление глюкозы.
Десять цитозольных ферментов, превращающих глюкозу в пируват,
совместно с лактатдегидрогеназой, катализирующей обратимое превращение
пировиноградной кислоты в молочную, способны обеспечить синтез АТФ в
отсутствии кислорода в анаэробных условиях.
Это позволяет поддерживать интенсивную работу скелетной мышцы в
условиях недостаточной эффективности аэробного окисления; ткани с
повышенной гликолитической активностью способны сохранять активность
в период кислородного голодания.
Суммарное уравнение гликолиза, завершающегося образованием
лактата, следующее:
Глюкоза+2АДФ+2Рн→2L-Лактат+2АТФ+2НО
Все ферменты гликолитического пути во внемитохондриальной
растворимой клеточной фракции. Они катализируют реакции превращения
глюкозы в пируват и лактат, которые протекают в следующей
последовательности.
4
Гликолиз и окисление пирувата.
Поскольку на каждую молекулу глюкозы, участвующей в гликолизе,
образуются две молекулы триозы, то в стадиях:
1. 1,3 биофосфоглицерат+АДФ→3-фосфоглицерат+АТФ
АДФ
2. Фосфоенолпируват→пируват+АТФ
Образуется по две молекулы АТФ.
Хотя большая часть гликолитических реакций обратима, три из них
носят
выраженныйэкзорганический
характер
и
поэтому
могут
рассматриваться как физиологически необратимые. Это реакции,
катализируемые гексокиназой (и глюкокиназой), фосфофруктокиназой и
пируваткиназой; они служат главными участниками, на которых происходит
регуляция гликолиза.
В зависимости от окислительно-востановительного состояния ткани
дальнейший процесс может идти по одному из двух путей. В анаэробных
условиях НАДН восстанавливает пируват в лактат, эту реакцию
5
катализиурует лактатдегидрогеназа. Это обеспечивает
протекания гликолиза в отсутствии кислорода..
возможность
Аэробное расщепление глюкозы и ее физиологическое значение.
При аэробном расщеплении глюкозы конечным продуктом реакции
являются СО2, Н2О и энергия. Это основной путь расщепления глюкозы и он
протекает в три стадии:
I.
Гликолитическая стадия окисления глюкозы
завершается
образованием пирувата.
II.
Окислительное декарбоксилирование пирувата с образованием
Ацетил-КоА.
III. Цикл Кребса и митохондриальная цепь переноса электронов.
Глюкоза.
Окисление пирувата в ацетил-КоА.
Окислительное декарбоксилирование пирувата и образование ацетил
КоА протекает внутри митохондрий при участии различных ферментов,
работающих в определенной последоваетельности и объединенных в
мультиферментный пируватдегидрогеназный комплекс.
Пируват в присутствии тиаминдифосфата (ТПФ) декарбоксилируется,
при этом происходит перенос гидроксиэтильной группы на тиозольное
кольцо связанного с ферментом тиаминдифосфата; долее эта
гидроксиэтильное производное вступает в реакцию с окисленным
6
липоамидом с образованием с ацетиллипоамида. В присутствии
дигидролипоилтрансферазы ацетиллипоамид реагирует с коферментом А,
образуя ацетил КоА и восстановленный липоамид. Завершается цикл
реокислением липоамида в реакции с флавопротеином в присутствии
дигидролипоилдегидрогеназы. Восстановленный флавопротеин окисляется
НАД, который в свою очередь предает восстановительные эквиваленты на
дыхательную цепь.
В пируватдегидрогеназный комплекс входит примерно 29 молекул
пируватдегидрогеназы, около 8 молекул дигидролипоилдегидрогеназы и 1
молекула трансацетилазы.
Цикл лимонной кислоты. Катаболизм ацетил КоА.
Цикл лимонной кислоты (цикл Кребса) представляет собой серию
реакций, протекающих в митахондриях, в ходе которых осуществляется
катаболизм ацетильных групп и высвобождение водородных эквивалентов;
при окислении последних поставляется свободная энергия топливных
ресурсов тканей. Ацетильные группы находятся в составе ацетил КоА.
Главная функция цикла лимонной кислоты состоит в том, что он
является общим конечным путем окисления углеводов, липидов, белков,
поскольку в ходе метаболизма глюкозы, жирные кислоты и аминокислоты
превращаются либо в ацетил КоА, либо в промежуточные соединения
рассматриваемого цикла. Цикл лимонной кислоты играет также важную роль
в процессах глюкогенеза, переаминирования, дезаминирования и липогенеза.
Хотя ряд этих процессов протекает во многих тканях, печень – единственный
орган, в котором идут все перечисленные процессы. Поэтому повреждение
большого числа клеток печени или замещение их соединительной тканью,
как это имеет место при остром гепатите или циррозе, вызывает серьезные
последствия.
7
Цикл лимонной кислоты: катаболизм ацетилСоА.
Глюконеогенез и пентозофосфатный путь.
Глюконеогенез включает все механизмы и пути, обеспечивающие
образование глюкозы и гликогена из неуглеводных компонентов.
Главными субстрактами глюконеогенеза служат глюкогенные
аминокислоты, лактат, глицерол. Гликонеогенез происходит главным
образом в печени и в почках, поскольку именно в этих органах имеется
полный набор необходимый при тяжелой гипогликемии ферментов.
Глюконеогенез обеспечивает потребности организма в глюкозе в тех
случаях, когда диета содержит недостаточное количество углеводов.
Постоянное поступление глюкозы в качестве источника энергии особенно
необходимо для нервной системы и эритроцитов. При понижении
концентрации глюкозы в крови ниже определенного критического уровня
нарушается функционирование мозга; при
тяжелой гоппогликемии
возникает коматозное состояние и может наступить летальный исход.
Глюкоза также необходима для жировой ткани как источник глицерола, ,
входящего в состав глицеридов; она играет, вероятно, существенную роль в
поддержании эффективных концентраций интермедиатов цикла лимонной
кислоты во многих тканях. Из этого следует, что даже в условиях, когда
большая часть потребностей организма в калориях обеспечивается за счет
жира всегда сохраняется определенная потребность в глюкозе. Кроме того,
глюкоза служит единственным видом топлива для работы скелетной мышцы
в анаэробных условиях. Она является предшественником молочного сахара
(лактозы) в молочных железах и активно потребляется плодом в период
развития. Механизм глюконеогенеза дает возможность удаления из крови
8
продуктов тканевого катаболизма, например лактата, образующегося в
мышцах и эритроцитах, глицерола непрерывно образующегося в жировой
ткани.
Пентозофосфатный путь- является альтернативным путем окисления
глюкозы. Он включает несколько циклов в результате которых из 3-х
молекул глюкозы-6-фосфата образхуется 3-молекулы СО2 и 3-молекулы
пентоз.
Пентозофосфатный цикл не приводит к синтезу АТФ, он выполняет 2
главные функции: 1) Образование НАДФН2 для восстановительных
синтезов, таких, как синтез жирных кислот и стероидов; 2) обеспечение
рибозой синтеза нуклеотидов и нуклеиновых кислот. Недостаточность ряда
ферментов пентозофосфатного пути является причиной гемолиза
эритроцитов. Например: одна из форм гемолитической анемии обусловлена
недостаточностью глюкоза-6-фосфатдегидрогеназы.
Ферменты
пентозофосфатного
пути
локализованы
во
вне
митохондриальном пространстве клетки – цитозе. Как и в гликолизе,
окисление осуществляется путем дегидрирования, однако, акцептором
водорода в этом случае служит не НАД, а НАДФ.
Последовательность реакций пути можно разделить на две фазы:
окислительную и не окислительную. В реакциях первой фазы глюкозо-6флсфат дегидрогенируется и декарбоксилируется с образованием рибулозо-5фосфата. В ходе второй фазы рибулозо-5-фосфат превращается в глюкозо-6фосфат в результате серии реакций, в которых главную роль играют 2
фермента: транскетолаза и транссальдолаза.
Нарушения переваривания углеводов в кишечнике.
Известны наследственные и приобретённые формы недостаточности
активности ферментов. Симптомы врождённых форм проявляются
достаточно рано, например после первых кормлений грудным мотоком (при
дефиците лактазы),после перехода на искусственное вскармливание .
Новые педагогические технологии
«Кейс технология»
1.
1)Обявить тему для «Case stady». ГЛИКОЛИЗ, ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ,
РЕГУЛЯЦИЯ, ЗНАЧЕНИЕ.
9
2)Формулирование проблемы.
Галактоза
фруктза
?
гликоген
?
пируват
глюкоза
?
аероб
?
анаэроб
пентозафосфат
3)Цель данного кейса (поиск путей решения проблемы)
Составить карту «Кластер». Карта составляется быстро, пишется все
что приходит на ум. Надо писать(как можно больше связей), пока не
закончится отведенное время
?
?
анаэроб
аэроб
Глюкоза
?
Пентозофо
сфатная
путь
10
2.
1)создание малых групп (5 групп по 2 человека)
2)задание для малых групп.
1.Переход глюкозы в клетку процесс сложный и протекает с затратой
энергии. Какой белок и макроэргическое соединение участвуют при этом ?
2.Повышение уровня глюкозы в крови называется гипергликемией.
Назовите причины физиологической гипергликемии.
3.Несмотря на постоянное использование глюкозы, периферическими
тканями ее концентрация в крови остается практически постоянной.
Назовите процессы, контролирующие постоянство глюкозы в крови.
3. Работа групп над заданиями.
1)работа с литературой
Основная:
1.А.Я.Николаев «Биологик киме» - Ташкент, 1992й.
2.Т.Т.Березов, Б.Ф.Коровкин «Биологическая химия» - Москва 1990г.
3.Р.А.Собирова ва бошкалар. Биологик Киме – Т., 2006 (лотин)
Дополнительная:
1.А.Ленинжер и другие «Основы биохимии» 1,2,3 том, Москва 1985г.
2.А.Уайт и другие «Основы биохимии» 1,2,3 том, Москва 1981г.
3.Л.С.Страйер «Биолхимия» 1,2,3 том, Москва 1985г.
4.Д.Мецлер «Биолхимия» 1,2,3 том, Москва 1980г.
5. Ж.Крю «Биолхимия», Москва 1979г
6. Е.А.Строев «Биологическая химия» - Москва 1986г
7.А.Хорст «Молекулярные основы патогенеза» Москва 1992г
2)анализ полученных материалов с последующим выводом.
3)поиск оптимальных путей решения проблемы.
4.Презентация Pover Point
6.2Аналитическая часть.
1.Начальный этап окисления глюкозы может протекать в форме
гликолиза или гликогенолиза. В чем разница этих процессов?
2.Молочная
кислота
является
промежуточным
продуктом
углеводородного обмена. Однако она не накапливается в тканях, а
подвергается расщеплению. Напишите схему распада молочной кислоты до
ацетил КоА.
3.Цикл Кребса основной этап аэробного окисления углеводов. В чем
биологическая роль этого процесса? Сколько моль АТФ образуется при
расщеплении 1 моль глюкозы в цикле Кребса?
11
4.Организму постоянно требуются пентозы. Как называется система
синтезирующая пентозы и в чем ее биологическая роль?
5.В клинику поступил больной с тяжелой формой анемии. Анализы
показали низкую активность фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы. В
чем причина анемии?
6.Больные алкоголизмом употребляют очень мало пищи. Тем не менее в
их организме энергетический баланс мало изменен. Почему?
6.3. Практическая часть.
Обучение правильному выполнению практических навыков и умений.
Лабораторная работа: Анаэробное окисление глюкозы в мышечной ткани.
№
Действия
Не
Выполнено
выполнено правильно и
полностью
1. Приготовление инкубационной смеси:
а) в первую пробирку наливают 3 мл.
0
7
фосфатного буфера РН=8,0 и 1 мл 1%-ного
раствора глюкозы.
б) во вторую (контрольную) пробирку
0
7
наливают 3 мл.фосфатного буфера РН=8,0 и 1
мл глюкозы, а также 1 мл 10%-ного раствора
ТХУ.
в) в обе пробирки добавляют по 1г
0
10
измельченной
ножницами
свежеприготовленной мышечной кашицы и
добавляют по 8-10 капель вазелинового масла.
г) обе пробирки ингибируют в термостате при
0
5
37°С в течении 1,5 часа.
2. Осаждение белков:
а) пробирки вынимают из термостата
0
5
б) в опытную пробирку добавляют 1 мл 10%0
7
ного раствора ТХУ (для осаждения белков).
в)
содержимое
каждой
пробирки
0
7
отфильтровать в две чистые пробирки.
3. Осаждение углеводов:
а) в две пробирки, содержащие безбелковый
0
10
фильтрат добавить по 1 мл полунасыщенного
раствора сульфата меди и по 0,5 г порошка
гидроксида кальция.
б)
пробирки
закрывают
пробками,
0
10
встряхивабт 15 минут и фильтруют через
фильтр, смоченный водой.
4. Обнаружение молочной кислоты:
12
а) пробирки с фильтратом поместить в воду со
льдом.
б) медленно по каплям добавить по 1 мл
концентрированной серной кислоты.
в) пробирки осторожно встряхивают и
помещают в кипящую водяную баню на 4
минуты.
г) охлаждают и добавляют по 1-2 капли 0,1% ного раствора вератрола.
д) в опытной пробе наблюдают ярко-розовое
окрашивание за счет гликолиза.
е) результаты работы вносят в таблицу.
Всего:
7.Формы контроля знаний, навыков и умений:
-устный;
-письменный;
-тестирование;
-решение ситуационных задач;
-демонстрация освоенных практических навыков.
13
0
5
0
7
0
5
0
5
0
5
0
0
5
100
8.Критерии оценки текущего контроля.
№
УспеваОценка
Уровень знания студента.
емость в %
и баллах
1.
96-100
Отлично «5»
Подводит итоги и принимает решения
Творчески мыслит. Самостоятельно
анализирует. Применяет на практике
Проявляет
высокую
активность,
творческий подход при проведении
интерактивных игр. Правильно решает
ситуационные задачи с полным
обоснованием ответа. Понимает суть
вопроса. Знает, рассказывает уверенно
Имеет точные представления
2.
91-95
Творчески мыслит. Самостоятельно
анализирует. Применяет на практике.
Проявляет
высокую
активность,
творческий подход при проведении
интерактивных игр Правильно решает
ситуационные задачи с полным
обоснованием ответа. Понимает суть
вопроса. Знает, рассказывает уверенно
Имеет точные представления
Отлично «5»
3.
86-90
Самостоятельно
анализирует.
Применяет на практике. Проявляет
высокую
активность,
творческий
подход при проведении интерактивных
игр. Правильно решает ситуационные
задачи с полным обоснованием ответа
Понимает
суть
вопроса.
Знает,
рассказывает уверенно. Имеет точные
представления
4.
81-85
Применяет на практике. Проявляет
высокую активность при проведении
интерактивных игр. Правильно решает
ситуационные задачи, но обоснование
ответа не достаточно полно. Понимает
суть вопроса. Знает, рассказывает
уверенно.
Имеет
точные
представления
5.
76-80
Проявляет активность при проведении
интерактивных игр. Правильно решает
ситуационные задачи, но обоснование
Хорошо «4»
ответа не достаточно полно. Понимает
14
6.
71-75
7.
66-70
8.
61-65
9.
55-60
10
54 и ниже
Удовлетворительно
«3»
Неудовлетворительно
«2»
суть вопроса. Знает, рассказывает
уверенно.
Имеет
точные
представления.
Правильно
решает
ситуационные
задачи, но обоснование ответа не
достаточно полно. Понимает суть
вопроса. Знает, рассказывает уверенно
Имеет точные представления
Понимает суть вопроса. Правильно
решает ситуационные задачи, но не
может обосновать ответ. Знает,
рассказывает уверенно. Имеет точные
представления по отдельным вопросам
темы
Допускает ошибки при решении
ситуационных
задач.
Знает,
рассказывает не уверенно. Имеет
точные представления по отдельным
вопросам темы
Знает, рассказывает не уверенно.
Имеет частичные представления.
Не имеет точного представления.
Не знает
9.Хронологическая карта занятия.
№
Этапы занятия
1
2
3
4
Формы занятия
Вводное слово преподавателя
(обоснование темы)
Обсуждение темы практического Опрос,
занятия, оценка исходных знаний объяснение
студентов с использованием новых педагогических технологий
(малые группы, ситуационные
задачи, деловые игры, слайды,
видеофильмы и др.)
Подведение итогов обсуждения
Предоставление студентам наглядных пособий (муляжи, препараты, компьютерные программы,
схемы и др.) и дача пояснений к
ним
15
Продолжительность в мин.
90
135
5
5
25
40
5
10
5
25
5
6
7
Самостоятельная работа студен- Изучение препатов по усвоению практических ратов, постановнавыков
ка биохимических реакций
Выяснение степени достижения Устный опрос,
цели занятия на основании письменный опосвоенных теоретических знаний рос, тесты, прои по результатам практической верка
резульработы и с учетом этого оценка татов практичесдеятельности группы
кой работы, дискуссия-обсуждение
Заключение преподавателя по Информация,
данному занятию. Оценка знаний вопросы
для
студентов по 100 бальной самостоятельной
системе и ее оглашение. Дача подготовки
задания на следующее занятие
(комплект вопросов)
25
40
15
15
5
5
10.Вопросы для самостоятельной подготовки.
1.Причины накопления в организме пирувата у больных с хроническими
воспалительными заболеваниями.
2.Компоненты, принимающие участие в «челночных» механизмах.
3.Какие классы ферментов участвуют в гликолизе?
4.Реакции гликолиза протекающие с затратой и образованием АТФ.
5.Свойства характерные для аэробного и анаэробного гликолиза.
6.Значение пентозофосфатного цикла.
11.Литература.
Основная:
1.А.Я.Николаев «Биологик киме» - Ташкент, 1992й.
2.Т.Т.Березов, Б.Ф.Коровкин «Биологическая химия» - Москва 1990г.
3.Р.А.Собирова ва бошкалар. Биологик Киме – Т., 2006 (лотин)
Дополнительная:
1.А.Ленинжер и другие «Основы биохимии» 1,2,3 том, Москва 1985г.
2.А.Уайт и другие «Основы биохимии» 1,2,3 том, Москва 1981г.
3.Л.С.Страйер «Биолхимия» 1,2,3 том, Москва 1985г.
4.Д.Мецлер «Биолхимия» 1,2,3 том, Москва 1980г.
5. Ж.Крю «Биолхимия», Москва 1979г
6. Е.А.Строев «Биологическая химия» - Москва 1986г
7.А.Хорст «Молекулярные основы патогенеза» Москва 1992г
16
17
18