Обмен углеводов
Функции углеводов
1. Энергетическая (глюкоза, гликоген).
2. Структурная (гиалуроновая кислота).
3. Антикоагулирующая (гепарин).
4. Гомеостатическая (поддерживает, в частности, водно-электролитный баланс и осмотическое давление крови).
5. Механическая (входят в состав соединительной ткани).
Классификация углеводов
Моносахариды, которые не могут быть гидролизованы на более простые сахара. В зависимости от числа атомов углерода их подразделяют на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы. В зависимости от присутствия альдегидной или кетоновой группы на альдозы и кетозы.
Дисахариды состоят из двух остатков моносахаридов:
1) сахароза состоит из остатков глюкозы и фруктозы, соединенных a-1,4-гликозидной связью;
2) лактоза состоит из остатков глюкозы и галактозы, соединенных b-1,4-гликозидной связью;
3) мальтоза состоит из двух остатков глюкозы, соединенных a-1,4-гликозидной связью;
4) целлобиоза состоит из двух остатков глюкозы, соединенных b-1,4-гликозидной связью.
Гомополисахариды — длинные разветвленные цепи, состоящие из одних и тех же моносахаридов:
1) крахмал — полимер глюкозы, соединенной a-1,4 и a-1,6-гликозидными связями. При этом неразветвленные цепи образуют амилозу (20%), а разветвленные амилопектин (80%);
2) гликоген — животный крахмал, состоящий из остатков глюкозы. Это более разветвленный полимер, чем крахмал. При частичном гидролизе крахмала или гликогена образуются декстрины (более короткие разветвленные цепи);
3) целлюлоза — главный компонент структурной основы растительных клеток. Это линейный полимер глюкозы, соединенной b-1,4-гликозидными связями.
Гетерополисахариды состоят из разных мономеров:
1) гепарин содержит остатки D-глюконат-2-сульфита и N-ацетилглюкозамин-6-сульфата;
2) гиалуроновая кислота состоит из остатков D-глюкуроновой кислоты и остатков N-ацетилглюкозамина. Входит в состав соединительной ткани и участвует в регуляции проницаемости кканей.
Переваривание и всасывание углеводов
У моногастричных животных в ротовой полости под действием амилазы (a, b) слюны происходит частичный гидролиз гликозидных связей полисахаридов (крахмала). Но активность этого фермента низкая, особенно у плотояндых.
В желудке специфических ферментов нет, а амилаза при низкой рН быстро инактивируется.
В тонком отделе кишечника происходит основной гидролиз сахаров. Крахмал под действием амилазы поджелудочной железы, протоки которой открываются в 12-перстную кишку расщепляется до мальтозы и изомальтозы. Этот дисахарид, а также сахароза и лактоза расщепляются специфическими гликозидазами — мальтазой, изомальтазой, сахаразой и лактазой. Эти ферменты продуцируются клетками слизистой и не поступают в просвет, а действуют на поверхности оболочки кишечника. Это т.н. пристеночное пищеварение. Дисахариды расщепляются до моносахаридов: глюкозы, фруктозы и галактозы, которые всасываются в стенки кишечника и поступают в кровь. Проникновение моносахаридов через клеточные мембраны происходит путем облегченной диффузии при участии специальных ферментов транслоказ. Глюкоза и галактоза еще проникают и путем активного транспорта за счет градиента концентраций ионов Na+, который создается Na+-К+-АТФ-азой (насос).
У полигастричных животных в ротовой полости переваривание сахаров не происходит из-за отсутствия ферментов.
В рубце (первом из преджелудков) происходит 50% переваривания сахаров. Ферменты вырабатываются микрофлорой рубца (мальтаза, сахараза, целлюлаза). Образовавшиеся в результате ферментативного гидролиза поли- и дисахаридов моносахара под действием бактерий рубца подвергаются процессам брожения, среди которых выделяют следующие виды:
1) уксуснокислое (Глю = уксусная кислота + СО2);
2) пропионовокислое (Глю = пропионовая кислота + СО2);
3) маслянокислое (Глю = масляная кислота + СО2);
4) молочнокислое (Глю = молочная кислота + СО2).
Все эти кислоты называются летучими жирными кислотами (ЛЖК). Наилучший вариант, когда уксуснокислое брожение составляет 70% и хуже когда преобладает маслянокислое. ЛЖК всасываются в стенки сетки и книжки и идут на энергетические нужды организма.
В сычуге (истинный желудок, имеет строение как и у моногастричных) переваривания углеводов не происходит из-за отсутствия ферментов.
В тонком отделе кишечника идет переваривание остатков сахаров как и у моногастричных животных.
Гликолиз
Последовательные реакции гликолиза катализируются группой из 11 ферментов. Процесс представляет собой две стадии (рис.4.11.1.). На первой из них глюкоза (Г) фосфорилируется и затем расщепляется с образованием двух молекул трехуглеродного соединения — глицеральдегид-3-фосфата. Эту стадию рассматривают как подготовительную. Именно на ней различные гексозы вовлекаются в гликолиз, фосфорилируются за счет АТФ и в итоге образуют общий продукт (Г-3-Ф). Вторая стадия представляет процесс общий для всех сахаров. Он включает и окислительно-восстановительные реакции и этапы образования АТФ (т.е. накопления энергии).
Первая стадия
1) Фосфорилирование Г за счет АТФ до образования глюкозо-6-фосфата (Г-6-Ф).
Эта реакция является пусковой для всего процесса и идет в одном направлении.
Е: гексокиназа и глюкокиназа. Гексокиназа более важный фермент, он используется в большинстве клеток. Он фосфорилирует еще фруктозу, маннозу. Глюкокиназа содержится только в гепатоцитах и обладает сродством только к глюкозе.
Кофакторами этой реакции являются ионы магния и марганца.
2) Превращение Г-6-Ф во фруктозо-6-фосфат (Ф-6-Ф). Эта реакция изомеризации.
Е: фосфоглюкоизомераза. Реакция обратимая.
Кофакторы: иона магния и марганца.
3) Фосфорилирование Ф-6-Ф до фруктозо-1,6-дифосфата (Ф-1,6-ДФ).
Эта вторая пусковая реакция гликолиза требует затраты еще одной молекулы АТФ. Реакция необратима.
Е: фосфофруктокиназа.
Кофактор: ионы магния. Донорами фосфата могут быть помимо АТФ УТФ.
Активность этого фермента активируется АДФ и АМФ и ингибируется АТФ.
4) Расщепления Ф-1,6-ДФ на две молекулы глицеральдегид-3-фосфат (ГА-3-Ф).
Е: альдолаза. Содержит свободные SH-группы. Реакция обратимая и идет в две стадии. Вначале образуется одна молекула ГА-3-Ф и диоксиацетонфосфат, а затем последний превращается в еще одну молекулу ГА-3-Ф.
Данная реакция завершает подготовительную стадию, на которой было истрачено 2 молекулы АТФ и образовалось 2 молекулы ГА-3-Ф.
Вторая стадия
Здесь все реакции идут двумя параллельными путями.
5) Окисление ГА-3-Ф до 1,3-дифосфоглицерата (1,3-ДФГ).
Энергия, освобождающаяся при окислении альдегидной группы ГА-3-Ф, сохраняется в форме высокоэргического продукта 1,3 — ДФГ.
Е: глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа (ГА-3-Ф-ДГ).
Кофермент: НАД, который в ходе реакции восстанавливается.
6) Превращение 1,3-ДФГ в 3-фосфоглицерат (3-ФГ).
Е: фосфоглицераткиназа. Образуется одна молекула АТФ.
7) Превращение 3-ФГ в 2-фосфоглицерат (2-ФГ). Это реакция изомеризации.
Е: фосфоглицеромутаза.
Кофактор: ионы магния.
8) Превращение 2-ФГ в фосфоенолпируват.
Е: енолаза.
Кофакторы: ионы магния и марганца.
Ингибитор: фторид.
9) Превращение фосфоенолпирувата в пируват. Образуется одна молекула АТФ.
Е: пируваткиназа.
Кофакторы: ионы магния, марганца, калия.
Ингибирор: ионы кальция (конкурируют с марганцем).
10) Восстановление пирувата до лактата. Источником электронов служит ГА-3-Ф, а их переносчиком является НАДН.
Е: лактатдегидрогеназа.
Лактат (молочная кислота) — конечный продукт анаэробного гликолиза. Выделяется через плазматическую мембрану как конечный метаболит. При усиленной работе мышц возникает дефицит кислорода и окисление глюкозы идет до лактата, при этом в мышечной ткани из-за накопления кислоты возникает ацидоз.
Пентозофосфатный путь (ПФП)
Наряду с гликолитическим путем распада глюкозы во многих клетках работает пентозофосфатный путь (гексамонофосфатный шунт). Он не является основным для метаболизма глюкозы и служит для генерации в цитоплазме клетки восстановленных форм НАДФ. Данный кофермент необходим для реакций восстановительного синтеза жирных кислот и стероидов, а также используется как донор водорода в реакциях гидроксилирования с участием цитохром-Р450-зависимой системы. Все эти процессы протекают преимущественно в клетках печени, молочной железы, коры надпочечников и жировой ткани. Скелетные мышцы, где синтез жирных кислот протекает вяло, практически лишены пентозофосфатного пути метаболизма глюкозы.
Реакции представлены окислительной и неокислительной ветвями.
Окислительная ветвь:
1. Дегидрирование 1-го углеродного атома глюкозо-6-фосфата.
Е: глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа. В качестве акцептора электронов выступает НАДФ+. Образуется 6-фосфоглюколактон — внутренний эфир.
2. 6-фосфоглюколактон очень нестабильное соединение, легко гидролизуется до свободной кислоты с образованием 6-фосфоглюконата.
Е: фосфоглюколактоназа.
3. Окислительное декарбоксилирование 6-фосфоглюконата с образованием рибулозо-5-фосфата.
Е: 6-фосфоглюконатдекарбоксилазы и 6-фосфоглюконатдегидрогеназы (акцептор — НАДФ + ).
Т.о. окислительная ветвь завершается восстановлением двух молекул НАДФ+
Неокислительная ветвь это реакции изомеризации:
1. Рибулозо-5-фосфат превращается в рибозо-5-фосфат.
Е: фосфопентозоизомераза.
2. Рибозо-5-фосфатпревращается в ксилулозо-5-фосфат.
Е: пентозофосфатизомераза.
3. Ксилулозо-5-фосфат взаимодействует с рибозо-5-фосфатом превращается в седогептулозо-7-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат. Последнее вещество является также продуктом гликолиза.
Е: транскетолаза (простетическая група ТДФ).
4. Седогептулозо-7-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат взаимодействуют между собой и превращаются в фруктозо-6-фосфат (также продукт гликолиза) и эритрозо-4-фосфат.
Е: трансальдолаза.
5. Эритрозо-4-фосфат и ксилулозо-5-фосфат взаимодействуют между собой и певращаются в два продукта гликолиза фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат.
Е: транскетолаза.
Часть метаболитов реакций неокислительного этапа ПФП является одновременно и метаболитами гликолиза, а это означает, что между двумя метаболическими путями глюкозы существует тесная связь и в зависимости от условий, возникающих в клетке, возможно «переключение» с одного пути на другой.
При сбалансированной потребности клетки в НАДФН и рибозо-5-фосфате, ПФП заканчивается на окислительной этапе.
Если потребность в рибозо-5-фосфате превышает потребность в НАДФН, то окислительный этап ПФП «обходится» за счет гликолиза. Метаболиты гликолиза: фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат превращаются в рибозо-5-фосфат.
Если больший дефицит в НАДФН, чем в рибозо-5-фосфате, то
1. при высоком энергетическом статусе клетки рибозо-5-фосфат превращается в глицеральдегид-3-фосфат и фруктозо-6-фосфат, а последние идут не на путь гликолиза, а на глюконеогенез, т.к. нет потребности в генерации АТФ;
2. при низком энергетическом статусе клетки фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат образовавшиеся из рибозо-5-фосфат, включаются в гликолиз и превращаются в пируват. В этом случае синтезируется АТФ.
Биологический смысл ПФП:
— в результате реакций окислительной ветви образуются две молекулы НАДФН, которые не окисляются в дыхательной цепи (как НАДН), а служат донорами водорода в ряде восстановительных реакций;
— в неокислительной ветви генерируется рибозо-5-фосфат, необходимый для синтеза РНК, ДНК, НАД, ФАД;
— ПФП называют еще и пентозофосфатным шунтом т.к. это процесс паралельный основному пути окисления глюкозы — гликолизу и при определенных условиях (см. выше) происходит переключение с дополнительного ПФП на основной гликолиз и наоборот.
Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК, цикл лимонной кислоты, цикл Кребса)
Аэробный путь окисления глюкозы начинается с того, что пировиноградная кислота (ПВК, пируват) не превращается в лактат, а поступает в ЦТК.
ЦТК представляет собой серию реакций, протекающих в матриксе митохондрий, в ходе которых осуществляется катаболизм ацетильных групп (до СО2) и образование НАДН2 и ФАДН2. Восстановленные коферменты переносят водород на дыхательную цепь, где осуществляется окислительное фосфорилирование (см. главу «Обмен веществ и энергии»).
Суммарное уравнение аэробного окисления одной молекулы глюкозы:
1-Глюк + 6 О2 = 6 СО2 + 6 Н2О + 38 АТФ
Прежде чем ПВК вступит на путь ЦТК она подвергается окислительному декарбоксилированию при участии комплекса ферментов. Результатом такого взаимодействия является образование ацетил-КоА. В таком виде это соединение поступает на путь ЦТК
1. ацетил-КоА + оксалоацетат (щавелевокуксусная кислота) ® цитрат (лимонная кислота) + КоА
Е: цитратсинтетаза;
2. цитрат ® цис-аконитат + Н2О
Е: аконитаза;
3. цис-аконитат + Н2О ® изоцитрат
Е: изоцитратсинтетаза;
4. изоцитрат + НАД+ ® альфа-кетоглутарат + СО2 + НАДН2
Е: изоцитратдегидрогеназа / декарбоксилаза;
5. альфа-кетоглутарат + НАД+ ® сукцинат (янтарная кислота) + СО2 + НАДН2
Е: альфа-кетоглутаратдегидрогеназа / декарбоксилаза;
6. сукцинат + ФАД+ ® фумарат + ФАДН2
Е: фумаратдегидрогеназа;
7. фумарат + Н2О ® малат (яблочная кислота)
Е: фумараза;
8. малат + НАД+ ® оксалоацетат + НАДН2
Е: малатдегидрогеназа.
Регуляторные ферменты:
1) пируватдегидрогеназа (Ингибиторы: АТФ, НАДН, цитрат, Ац-КоА);
2) цтратсинтаза (Ингибиторы: АТФ, НАДН, ВЖК);
3) Изоцитратдегидрогеназа (Ингибиторы: АТФ, НА;ДН);
4) Кетоглутаратдегидрогеназа (Ингибиторы: АТФ, НАДН).
ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ IV.11.
1. Бышевский А. Ш., Терсенов О. А. Биохимия для врача // Екатеринбург: Уральский рабочий, 1994, 384 с.;
2. Кнорре Д. Г., Мызина С. Д. Биологическая химия. – М.: Высш. шк. 1998, 479 с.;
3. Ленинджер А. Биохимия. Молекулярные основы структуры и функций клетки // М.: Мир, 1974, 956 с.;
4. Пустовалова Л.М. Практикум по биохимии // Ростов-на Дону: Феникс, 1999, 540 с.
5. Методы биохимических исследований (липидный и энергетический обмен). Под ред. М.И.Прохоровой // Л.: Изд-во Ленинградского университета, 1982. — 327 с.;
6. Ньюсхолм Э., Старт К. Регуляция метаболизма. Под ред. Э.Г.Ларского. — М.: Мир, 1977. — 407 с.