Обмен углеводов

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.

Комментариев пока нет.

Добавить комментарий


Беркегейм Михаил

About Беркегейм Михаил

Я родился 23 ноября 1945 года в Москве. Учился в школе 612. до 8 класса. Мама учитель химии. Папа инженер. Я очень увлекался химией и радиоэлектроникой. Из химии меня очень увлекала пиротехника. После взрыва нескольких помоек , я уже был на учете в детской комнате милиции. У меня была кличка Миша – химик. Из за этого после 8 класса дед отвел меня в 19 мед училище. Где меня не знали. Мой отчим был известный врач гинеколог. В 1968 году я поступил на вечерний факультет медицинского института. Мой отчим определил мою профессию. Но увлечение электроникой не прошло, и я получил вторую специальность по электронике. Когда я стал работать врачом гинекологом в медицинском центре «Брак и Семья» в 1980 году, я понял., что важнейшим моментом в лечении бесплодия является совмещение по времени секса и овуляции. Мне было известно, что овуляция может быть в любое время и несколько раз в месяц. И самое главное, что часто бывают все признаки овуляции. Но ее не происходит. Это называется псевдоовуляция. Меня посетила идея создать прибор надежно определяющий овуляцию. На это ушло около 20 лет. Две мои жены меня не поняли. Я мало времени уделял семье. Третья жена уже терпит 18 лет. В итоге прибор получился. Этот прибор помог вылечить бесплодие у очень многих женщин…
×
Записаться на приём или задать вопрос