Обмен углеводов

 

 

 

 

Глава IV.11.

 

 

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.