Включает в себя катаболизм (расщепление углеводов пищи и выделение энергии) и анаболизм (синтез углеводов с затратой энергии). Катаболизм УВ включает в себя 3 стадии:

1 стадия : углеводы пищи (суточная потребность 400-500г, самая большая, т.к. глюкоза является основным источником энергии) расщепляется до моносахаридов: глюкозы, галактозы и фруктозы (до мономеров). Расщепление внеклеточное, происходит в ЖКТ.

2 стадия : внутриклеточное расщепление глюкозы протекает в процессе гликолиза с
образованием ПВК.

3 стадия : ОДПВК, ЦТК и ЦПЭ – внутримитохондриально.

Глюкоза расщепляется в ПФП (пентозофосфатный путь) – прямое расщепление глюкозы

– энергия не выделяется, функция не энергетическая.

Функции углеводов.

1. энергетическая
2. рецепторная
3. защитная
4. пластическая

Переваривание и всасывание углеводов.

Лишь малая часть углеводов растительной пищи доступна для питания человека, из-за отсутствия соответствующих ферментов. Не перевариваются гемицеллюлозы, целлюлозы, ксиланы, пектины и др. тем не менее они имеют биохимическую функцию и физиологическое значение. Некоторые пентозаны гидролизуются и преобразуются ферментами микрофлоры толстого кишечника с образованием CO 2 ,; С 2 Н 5 ОН и органических кислот, что стимулирует перистальтику. Кроме этого, растительные пектины и целлюлозы обладают сорбционно активными свойствами и способны выводить из организма различные токсины.

Основными углеводами растительной и животной пищи являются крахмал и гликоген, соответственно. Крахмал представляет собой смесь двух фракций полисахаридов: неразветвленной амилозы и разветвленного амилопектина.

В прямых цепях крахмала глюкозные остатки соединены между собой а-1,4-гликозидглюкозными связями (фермент а-амилаза).

В точках ветвления связи 1,6 – для гидролиза, которых нужны специальные ферменты. Гликоген имеет большую молекулярную массу, чем крахмал и разветвлен в значительно большей степени. (В его гидролизе принимают участие те же ферменты). Гидролиз данных полисахаридов начинается в ротовой полости под действием амилазы слюны. Значимость этого процесса во многом не ясна, многие млекопитающие этим свойством не обладают.

Основное значение имеют процессы расщепления гликогена и крахмала под действием панкреатической а-амилазы.

а-амилаза имеет абсолютную потребность к ионам С1. Стабилизируется катионами Са, имеет оптимум рН~7,1.

Фермент представляет собой одноцепочный полипептид, к которому присоединен олигосахарид.

Продукты гидролиза гликогена и крахмала – это смесь олигосахаридов и конечный продукт – мальтоза.

Процесс гидролиза дисахаридов пищи происходит в дистальном отрезке двенадцатиперстной кишки и происходит он не в просвете, а в клетках слизистой оболочки. Основные ферменты:

– мальтаза

– изомальтаза

– сахараза

– лактаза.

Установлено, что изомальтаза способна гидролизовать а-1,6-гликозидфруктозидные связи, пример соединения – палатиноза; сахараза также способна гидролизовать а-1,6-

гликозидные связи. Клеточный эпителий содержит три различных фермента, имеющих (3-галактазидную активность. Ферменты: р-галаксидаза (рН~4,5), гетерогалактозидаза, истинная лактаза.

Всасывание углеводов в кишечнике.

Химическая природа моносахаридов, а также их различная структурная форма (открытая цепь, пиранозный или фуранозный цикл) имеет влияние на скорость всасывания. Галактоза > глюкоза > фруктоза > манноза > ксилоза > арабиноза.

Для последних моносахаридов всасывание носит характер облегченной диффузии; для галакто- и глюкопиранозы – это активный транспорт, при этом всасывание может идти против десятикратного градиента. Для этого процесса есть специфические переносчики. Важная роль принадлежит Na- и К- зависимым АТФ-азам.

Метаболизм глюкозы.

Концентрация глюкозы в крови человека поддерживается близкой к 5 ммоль/л. Тогда как в цитоплазме большинства клеток концентрация глюкозы очень низкая. Ее поступление в клетку осуществляется в направлении падения градиента концентрации. Это не пассивная диффузия, а облегченный процесс, природа которого мало изучена. Минимальные потребности в глюкозе имеют все ткани, но у некоторых из них, например, у клеток мозга и эритроцитов эти потребности весьма значительны.

Гликолиз (дихотомический процесс).

Это главный путь утилизации глюкоза, протекающий во всех клетках. Гликолиз – это последовательность 10 ферментативных реакций в результате которых из глюкозы образуется 2 молекулы пирувата с одновременным (субстратным) генерированием АТФ. У аэробных организмов гликолиз предшествует ОДГТВК, ЦТК и ЦПЭ. Такой гликолиз называют аэробным.

В анаэробных условиях, например, при мышечном сокращении пируват восстанавливается до лактата – это так называемый анаэробный гликолиз.

Биомедицинское значение ферментативных реакций гликолиза.

1. главный путь метаболизма глюкозы, а также фруктозы и галактозы с целью
   быстрого и последующего генерирования энергии.
2. гликолиз – это путь образования строительных блоков для биосинтеза высших
   жирных кислот, некоторых аминокислот и других соединений.
3. способность к образованию АТФ в анаэробных условиях, например, в интенсивно
   работающих мышцах или при кислородном голодании (в сердечной мышце
   возможности осуществления гликолиза ограничены, поскольку аэробные условия
   просто необходимы для клеток миокарда – недостаток (^приводит к ишемии).

Известно заболевания, связанные с нарушением активности ферментов в гликолизе,

например, незначительное ингибирование пируваткиназы вызывает гемолитическую

В быстро растущих раковых клетках активность гликолиза высока, возникает избыток

пирувата и лактата - рН в цитоплазме повышается.

Последовательность реакций гликолиза одинакова у микробов, растений, животных и

человека.

Суммарная реакция и выход энергии при гликолизе.

Глюкоза + 2АДФ + 2 Pi + 2 НАД* à 2 пирувата + 2 АТФ + 2 НАДН + 2Н + + 2 Н 2 О. При субстратном фосфорилировании суммарный выход энергии гликолиза составляет 2 молекулы АТФ на 1 моль глюкозы, также в этих реакциях образуется 2 молекулы НАДН на 1 молекулу глюкозы, которые в митохондриальном матриксе в реакции

окислительного фосфорилирования потенциально могут дать 6 молекул АТФ. Реакции гликолиза протекают в цитоплазме, а окислительное фосфорилирование в митохондриях. Протоны водорода не способны проникать через мембрану митохондрий и нуждаются в специальном переносчике. Существует 2 типа челночного механизма переноса протонов водорода:

1. малатно-аспартатный, при котором потери АТФ не происходит; (8АТФ).
2. глицерофосфатный – теряется 2 молекулы АТФ (6АТФ).

Нарушения гликолиза в эритроцитах приводит к изменению транспорта О 2 . Гликолиз в

эритроцитах и транспорт O 2 между собой.

Эритроциты характеризуются высокой концентрацией 2,3 – бифосфоглицерата =4

ммоль*л, тогда как концентрация его в других клетках низкая.

Присутствие и повышенный уровень 2,3 – БФГ в эритроцитах способствует диссоциации

Ог, из оксиНЬ и переход его в ткани.

Обмен углеводов

Углеводы, их классификация.
Углеводы – это органические соединения, содержащие альдегидную или кето- группы, и являющиеся производными многоатомных спиртов.
Термин «углеводы» предложен в 1844г. К. Шмидтом, т.к. в то время полагали, что их общая формула представляет собой: Сх(Н2О) n – т.е. углерод + вода. Дальнейшие исследования показали, что это не так. Например: формула дезоксирибозы С5Н1oО4. Поэтому позднее было предложено этот класс веществ называть глицидами. Углеводы широко распространены в природе. В растениях их соединения ~ 80%, в тканях животных всего ~ 2%. Для животных организмов их значение велико.

Функция углеводов.
- энергетическая: при окислении У выделяется энергия, используемая в биохимических реакциях (при распаде 1г У выделяется ~ 4,1% ккал).
- пластическая: продукты обмена У являются источниками для синтеза Ж, Б, НК, АК.
- опорная: целлюлоза оболочек растительных клеток образует опорные ткани растений.
- защитная: У учувствует в построении клеточных мембран.

Классификация углеводов

Моносахариды – это производные многоатомных спиртов, у которых одна гидрокси-группа (ОН) замещена на карбонильную С=О- (альдегидную или кето) группу. Если карбонильная группа находится в коне цепи, то моносахарид представляет собой альдегид и называется альдозой, при любом другом положении моносахарид является кетоном и наз-ся кетозой.

Номенклатура: наименования моносахарам дают в зависимости от числа атомов С + окончание – оза. З атома С - триоза, 4 - тетроза, 5 - пентоза, 6 - гексоза, 7 - гептоза, и т.д.
Н2С - ОН Н2С – ОН Н С = О
С = О  НС – ОН  НС¬¬¬¬¬* - ОН
Н2С – ОН Н2С – ОН СН2 ОН
дегидроксиацетон трехатомный спирт глицеральдегид
(кетотриоза) (глицерин) (альдотриоза).

Моносахара обладают оптической активностью и пространственной изомерией.
N=2n, где N – число изомеров, n - количество хиральных атомов.
Т.о. у альдотриозы м.б. 2¬1=2 изомера.
- Если ОН-гр. у последнего хирального атома С находится слева, то это L – ряд, а если справа, то это моносахара Д-ряда. У нас изображен Д – глицеральдегид.

, D- глюкопираноза
- Если раствор этого соединения вращает плоскость поляризованного луча вправо, то обозначает «+», а если влево, то знаком «-». Направление угла вращение заранее непредсказуемо: например природная глк (+), а фрк (-).
- Формулы моносахаридов м.б. линейными и циклическими. Их называют соответственно формулами Фишера и Хеуорса.

В зависимости от того, ОН-гр. какого из углеродов атомов участвует в образовании полуацетеля, могут образоваться пяти – или шестичленные циклы, которые по аналогии с органическими соединениями называются фуранозными или пиранозными структурами.
- В циклических молекулах пентоз и гексоз появляется еще один хиральный атом и новая пара изомеров (α- и ß- формы). Если Он-гр. у С1¬ располагается над плоскостью, то это ß- форма, а если под плоскостью, то это α -форма.

Олигосахариды – это сложные молекулы, содержащие в своем составе от 2-х до 10 мономеров звеньев.
Различают дисахариды, трисахариды и т.д.
Дисахариды – это сложные молекулы, которые при гидролизе распадаются на 2 молекулы моносахаридов.
Мальтоза – состоит из 2-х молекул α-глюкозы, соединенных 14 гликозидной связью
(мальтоза)
α -Д-глюкопиранозил (14) α –Д-глюкопираноза
Изомальтоза –состоят из 2-х молекул α -Д-глюкозы, (16) гликозидной связью
α -Д-глюкопиранозил (16) α –Д-глюкопираноза
Целлобиоза – состоит из 2-х молекул ß-глюкозы, соединненых 14 глик. связью
ß-целлобиоза (14)
Сахароза – состоит из α-глюкозы и ß-фруктозы, соединенных 12 гликозидной связью
(сахароза)
α -Д-глюкопиранозил (12) ß –Д-глюкофуранозаранозид

Трисахариды – раффиноза (фруктоза+глюкоза+галактоза)

Полисахариды – это глициды, содержащие от 10 до несколько тысяч мономеров.
По строению высшие полиозы делят на следующие группы:
I. Гомополисахариды, состоящие из остатков одного какого-либо моносахарида:
а) из остатков глюкозы - крахмал, гликоген, декстран, целлюлоза и др.;
б) из остатков маннозы, галактозы, ксилозы, L-арабинозы - маннаны, галактаны, ксиланы, арабаны;
в) из остатков галактуроновой кислоты - пектиновые вещества;
г) из остатков глюкозамина - хитин насекомых и грибов
II. Гетерополисахариды, состоящие из остатков различных моносахаридов и их производных:
а) гемицеллюлозы(в-ва крови);
б) камеди, слизи;
в) мукополисахариды или протеиногликаны (свободные и связанные с белками, например, в гликопротеинах: гепарин, хондроитинсульфаты, групповые вещества крови).
По биологическим функциям высшие полиозы делят на следующие группы:
I. Структурные полисахариды, играющие опорную роль в организмах растений и животных: целлюлоза и пектиновые вещества растений, хитин насекомых и грибов.
П. Резервные полисахариды, являющиеся источником энергии для живых организмов: крахмал, гликоген, инулин.

Крахмал n; Мr 105 – 107 Д. Это резервный гомополисахарид, состоит из 2-х гомополисахаридов; амилозы – линейной формы, и амилопектина – разветвленной формы. Доля амилозы ~10-30%, сод. до 1 тысяч остатков глк. в амилопектине (его доля в крахмале ~ 90-70%) глюк. остатков в 20-30 раз больше. Остатки глк в амилозе и линейных участках амилопектина соединяется 14 гликозидной связью; в ( ) разветвления 16 гликозидной связью.

Амилопектин амилоза
Гликоген – главный энергетический резерв человека и животных. Особенно много его в печени (до 10%) и мышцах (до 4% от сухой массы). Состоит также из амилопектина, только молекула более компактная, т.к. имеет более разветвленную структуру. n – формула аналогична формуле крахмала. Mr 105 – 108Да
Крахмал и гликоген при кислотном гидролизе распадаются сначала на декстрины, затем на дисахариды – мальтозу и изомальтозу, затем на две глк.
Целлюлоза (клетчатка) – это структурный полисахарид растительного происхождения, состоящий из ß - D – глюкопиранозных остатков, соединенных 14 гликолизидной связью. Mr=1-2млн Да. В организме человека и животных не переваривается; т.к. отсутствует фермент ß–глюкозидаза. В присутствии в пище оптимального количества целлюлозы формируются каловые массы.

Обмен углеводов
Складывается из
1) расщепления полисахаридов в ЖКТ до моносахаров, которые всасываются из кишечника в кровь;
2) синтеза и распада гликогена в тканях;
3) анаэробного и аэробного расщепления глк;
4) взаимопревращения гексоз;
5) аэробного метаболизма ПВК;
6) глюконеогенеза - синтеза глк из неуглеводных компонентов – ПВК, лактата глицерина, АК и др. источников.
Основной метаболит в обмене углеводов – это глюкоза.
Её источники: 1) углеводы пищи
2) гликоген
3) ПВК, АК, глц и т.д.

Переваривание углеводов (крахмала).

1. Ротовая полость. Слюна содержит ф-т амилазу α, ß, γ (различаются по конечным продуктам их ферментативного действия).
α–амилаза – это эндоамилаза, которая действует на 14 внутренние связи полисах.
ß- и γ-амилазы – это экзоамилазы – расщепляют концевые 14 связи
ß–амилаза – дисахарид мальтозу;
γ амилаза – один за другим концевые остатки глк.
Амилаза слюны представлена только α–амилазой, поэтому результатом ее действия являются крупные обломки гликогена и крахмала – декстрины и в небольшом количестве мальтоза.
2. Желудок. Далее пища, более или менее смоченная слюной, поступает в желудок. В результате кислой среды желудка (рН 1,5 – 2,5) α–амилаза слюны инактивируется. В глубоких слоях пищевого комка действие амилазы продолжается и происходит расщепление полисахаридов с образованием декстринов и мальтозы. В самом желудке распада У нет, т.к. здесь отсутствует специфические энзимы.
3. Основной этап расщепления У происходит в 12 перстной кишке.
В просвет кишечника выделяется панкриатическая α-амилаза (рН – 7). Панкреатическая амилаза расщепляет только 14 гликозидные связи. Но, как известно, молекула гликогена разветвленная. В точках ветвления 16 гликозидной связи, на нее воздействует специфические ф-ты: (глюкоза) олиго–1,6–глюкозидаза и (крахмал) амило-1,6–глюкозидаза. В кишечнике под действием этих 3-х ф-тов У расщепляются до дисахаридов (мальтоза и др.). На связи в дисахаридах эти ферменты не воздействуют. Для этих целей в кишечнике существует свои ферменты: их название – корень дисахарида + аза: мальтаза, сахараза и т.д. В результате суммарного воздействия этих Е образуется смесь моносахаридов – глк, галактоза, фруктоза. Основную массу составляет глюкоза.

4.Всасывание глк происходит за счет активного транспорта с Na+. Глк + Na+ образует комплекс, который поступает внутрь клетки, здесь комплекс распадается, Na+ выводится наружу. Другие моносахара всасываются диффузно (т.е. по градиенту концентрации). Поступающая из просвета кишечника глк большей частью (> 50%) с кровью воротной вены поступает в печень, остальная глк через общий кровоток транспортируется в другие ткани. Концентрация глк в крови в норме поддерживается на постоянном уровне и составляет 3,33 – 5,55 мкмоль/л, что соответствует 80-100 мг в 100 мл. крови. Транспорт глк в клетки носит характер облегченной диффузии, но в многих клетках регулируется гормоном поджелудочной железы инсулином (исключение – мозг и печень – здесь содержание глк. прямо пропорционально конц. глк в крови). Действие инсулина приводит к перемещению белков переносчиков из цитозоля в плазматическую мембрану. Затем с помощью этих белков глк транспортируется в клетку по град. концентрации. Инсулин т.о. повышает проницаемость клеточной мембраны для глк.

Влияние инсулина на перемещение транспортёров глюкозы из цитоплазмы в плазматическую мембрану.
1 - связывание инсулина с рецептором; 2 - участок инсулинового рецептора, обращённый внутрь клетки, стимулирует перемещение транспортёров глюкозы. 3,4-транспортёры в составе содержащих их везикул перемещаются к плазматической мембране клетки, включаются в её состав и переносят глюкозу в клетку.
.

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 моносахарапод действием бактерий рубца подвергаются процессам брожения, среди которых выделяют следующие виды:

1) уксуснокислое (Глю = уксусная кислота + СО 2);

2) пропионовокислое (Глю = пропионовая кислота + СО 2);

3) маслянокислое (Глю = масляная кислота + СО 2);

4) молочнокислое (Глю = молочная кислота + СО 2).

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) фосфорилируетсяи затем расщепляетсяс 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 АТФУТФ.

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 клеткивосстановленных форм НАДФ . Данный кофермент необходим для реакций восстановительного синтеза жирных кислот и стероидов, а также используется как донор водорода в реакциях гидроксилированияс 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-фосфатомпревращается 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 существуеттесная 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 окисляютсяв дыхательнойцепи (как НАДН), а служат донорами водорода в ряде восстановительных реакций;

В неокислительной ветви генерируется рибозо-5-фосфат, необходимый для синтезаРНК, 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 СО 2) и образование НАДН 2 и ФАДН 2 . 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 О 2 = 6 СО 2 + 6 Н 2 О + 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

Важнейшими химическими соединениями живых организмов являются углеводы. Они широко распространены в природе, в растительном мире они составляют 70-80% из расчета на сухое вещество, у животных содержание значительно меньше - 2% массы тела.

Роль их чрезвычайно важна, что и подтверждается разнообразными функциями, выполняемыми углеводами...

Энергетическая - главный вид клеточного топлива, основной источник энергии для организма. Углеводы служат основным источником энергии для организма, обеспечивая его на 60%. Для деятельности мозга - единственным поставщиком энергии является глюкоза. Пластическая - входят в состав оболочек клеток и субклеточных образований, содержатся во всех органах и тканях. Функция запасных питательных веществ: углеводы обладают способностью накапливаться в организме в виде крахмала у растений и гликогена (печень, мышцы) у животных.

Защитная функция - вязкие секреты, выделяемые различными железами предохраняют стенки полых органов от механических повреждений и проникновения патогенных бактерий.

Регуляторная функция - такой углевод как клетчатка участвует в перистальтике кишечника.

Специфическая функция - проведение нервных импульсов, образование антител.

По химической природе углеводы это органические вещества состоящие из углерода, кислорода и водорода в соотношении 1:2:1. Их разделяют на:

• - моносахариды - простые сахара, состоящие из одной молекулы. Среди них различают триозы, тетрозы, пентозы, гексозы;
• - олигосахариды - молекулы которых содержат от 2 до 10 остатков моносахаридов, соединенных гликозидными связями (сахароза);
• - полисахариды - высокомолекулярные углеводы, состоящие из большого числа моносахаридов (крахмал, гликоген).

Полисахариды разделяются на гомо- и гетеро- полисахариды:

• - Гомополисахариды имеют в своем составе моносахариды только одного вида;
• - Гетерополисахариды - это комплексы различных видов моносахаридов и их производных (например, мукополисахариды).

С точки зрения функционального назначения полисахариды также могут быть разделены на структурные (целлюлоза) и резервные (крахмал, гликоген).

Рассмотрим более подробно эти группы...

К простейшим углеводам, имеющим биологическое значение, относятся простые сахара или моносахариды, имеющие формулу С6Н12О6, например, глюкоза и фруктоза.

Эти два простых сахара слегка различаются между собой по расположению составляющих их молекулы атомов, и это различие обуславливает некоторую разницу в их химических свойствах.

Соединения с одинаковой молекулярной формулой, но различным расположением атомов называют изомерами.

Это внутреннее строение молекулы отражается с помощью структурных формул, в которых атомы представлены своими символами (С, Н, О и т. д.), а химические связи, или силы, удерживающие атомы вместе - линиями соединяющими символы.

Свойства соединения зависят от его конформации, т. е., его пространственной структуры (молекулы имеют трехмерную структуру).

В растворе молекулы глюкозы и других простых сахаров не вытянуты в виде прямых цепей, а свернуты в плоские кольца, образованные в результате соединения двух несмежных углеродных атомов через атом кислорода.

Глюкоза - единственный моносахарид, содержащийся в нашем организме в сколько-нибудь значительном количестве. Все другие, потребляемые нами углеводы превращаются в печени в глюкозу.

Глюкоза - абсолютно необходимая составная часть крови. В норме ее содержание в крови и тканях млекопитающих составляет около 0,1% по массе. Некоторое увеличение содержания глюкозы в организме не причиняет особого вреда, уменьшение же его повышает возбудимость некоторых клеток головного мозга, так что они начинают реагировать на очень слабые стимулы. Импульсы, получаемые от этих клеток мышцами могут вызвать судороги, привести к потере сознания и даже к смерти.

Глюкоза необходима для метаболизма клеток головного мозга и для этого необходим определенный уровень содержания ее в крови. Надлежащая концентрация глюкозы в крови поддерживается при помощи чрезвычайно сложного механизма, в котором участвуют нервная система, печень, поджелудочная железа, гипофиз и надпочечники.

Олигосахариды - содержат от 2 до 10 остатков моносахаридов, соединенных гликозидными связями.

Молекулы дисахаридов имеют общую формулу С12Н22О11, они как бы составлены из двух молекул моносахаридов, соединившихся в результате отщепления одной молекулы воды. Тростниковый и свекловичный сахара представляют собой сахарозу - соединение одной молекулы глюкозы с одной молекулой фруктозы. Известны и другие дисахариды, все они имеют одну формулу, но различаются расположением атомов в молекуле и в связи с этим и некоторыми химическими и физическими свойствами. Мальтоза, или солодовый сахар, состоит из двух молекул глюкозы, лактоза (молочный сахар), содержащийся в молоке всех млекопитающих, образована одной молекулой глюкозы и одной молекулой галактозы.

Эти сахара заметно различаются между собой по степени сладости. Самый сладкий из обычных сахаров - фруктоза. Она более чем в 10 раз слаще наименее сладкого сахара - лактозы. Сахароза занимает промежуточное положение. Сахарин - синтетическое вещество, которое значительно слаще любого из сахаров, им пользуются, если надо придать пище сладкий вкус без употребления сахара, а также больные сахарным диабетом.

Полисахариды.

Углеводы, имеющие самые большие молекулы, - это полисахариды, в том числе крахмал и целлюлоза, молекулы которых состоят из большого числа моносахаридных группировок, либо соединенных в одну прямую длинную цепь (амилаза), либо образующих разветвленную структуру (амилопектин). Число молекул сахара, соединенных в одной молекуле крахмала, точно не известно, оно неодинаково в разных молекулах, поэтому формулу крахмала можно написать так: (С6Н10О5).

Особые ферменты - амилазы - гидролизуют крахмал и полисахариды, расщепляя их сначала на более короткие цепочки из простых сахаров, а затем на свободные моносахариды.

Эти ферменты катализируют реакции, в которых молекулы воды как бы вклиниваются между моносахаридными остатками, разрывая ангидридные связи. Крахмалы различаются между собой по числу и типу моносахаридных групп и являются обычными компонентами как растительных, так и животных клеток.

Животный крахмал - гликоген, отличается от растительного чрезвычайно сильной разветвленностью молекулы и большой растворимостью в воде. Растения накапливают углеводы в форме крахмалов, животные в форме гликогена;накопить глюкозу как таковую невозможно, ибо ее небольшие молекулы диффундировали бы из клеток. Более крупные и менее растворимые молекулы крахмала и гликогена не проходят через плазматическую мембрану. У человека и других высших животных гликоген накапливается главным образом в печени и мышцах.

Четыре фермента, действуя в определенной последовательности, легко превращают гликоген печени в глюкозу, которая затем доставляется кровью к другим частям тела. Клетки большинства растений обладают прочными наружными стенками из целлюлозы - нерастворимого полисахарида, молекула которого, как и молекула крахмала, составлена из множества молекул глюкозы. Однако в молекуле крахмала последовательные молекулы глюкозы соединены гликозидными связями, а в молекуле целлюлозы они соединены гликозидными связями и не расщепляются ферментами, переваривающими крахмал.

В клетке углеводы играют роль легко мобилизуемого “топлива” для снабжения метаболических процессов энергией. Глюкоза в конечном счете расщепляется до углекислоты и воды с выделением энергии.

Некоторые углеводы, соединяясь с белками и липидами образуют структурные компоненты клеток и их оболочек. Рибоза и дезоксирибоза, сахара, содержащие по 5 атомов углерода входят в состав рибонуклеиновой (РНК) и дезоксирибонуклеиновой (ДНК) кислот.

Углеводный обмен в организме человека складывается в основном из следующих процессов:

• 1. Расщепление в желудочно-кишечном тракте до моносахаридов, поступающих с пищей ди- и поли- сахаридов. Всасывание в кровь в кишечнике;
• 2. Синтез и распад гликогена (печень);
• 3. Анаэробное расщепление глюкозы: гликолиз - без потребления кислорода;
• 4. Взаимопревращение гексоз;
• 5. Аэробный метаболизм пирувата- с потреблением кислорода, цикл Кребса;
• 6. Глюконеогенез - образование углеводов из неуглеводных продуктов.

Рассмотрим этапы углеводного обмена.

До 90% всосавшихся моносахаридов (глюкоза главным образом) через капилляры кишечных ворсинок попадают в кровеносную систему и с током крови через воротную вену доставляются в печень, остальное количество моносахаридов поступает по лимфатическим путям в венозную систему.

В печени глюкоза превращается в гликоген. Благодаря способности к отложению гликогена создаются условия для накопления в норме некоторого резерва углеводов. При повышении энергетических затрат в организме в результате возбуждения ЦНС обычно происходит усиление распада гликогена и образование глюкозы.

При недостатке кислорода углеводы распадаются по анаэробному типу, а при насыщении кислородом - по аэробному.

Гликолиз - расщепление глюкозы без потребления кислорода, сложный ферментативный процесс, протекающий в тканях человека и животных. В результате глюкоза превращается в молочную кислоту с образованием богатых энергией фосфорных соединений - АТФ:

Процесс гликолиза катализируется 11 ферментами и протекает в цитоплазме клетки.

Биологическое значение гликолиза - образование богатых энергией фосфорных соединений.

В первой стадии гликолиза затрачивается 2 молекулы АТФ (1 и3 реакции). Во второй стадии образуются 4 молекулы АТФ (фосфоглицераткиназная и пируваткиназная реакции). Таким образом, энергетическая эффективность гликолиза составляет 2 молекулы АТФ на 1 молекулу глюкозы, изменение свободной энергии при расщеплении 1 молекулы глюкозы (глюкоза молочная кислота) КПД составляет около 0,4. В процессе гликолиза ряд последовательных реакций начинается с «активации» глюкозы. Взаимодействие глюкозы с АТФ, в результате которого образуется глюкозо-6-фосфат и АДФ, катализируется ферментом гексокиназой.

При этом переносится только концевая фосфатная группа аденозинтрифосфата и остается аденозиндифосфат (АДФ).

После этой подготовительной реакции происходит перестройка молекулы с образованием фруктозо-6-фосфата, затем - перенос второй фосфатной группы с образованием фруктозо-1,6-дифосфата (фруктоза с фосфатными группами при 1 и 6 атомах углерода) и АДФ.

Фруктозо-1,6-дифосфат, расщепляется ферментом альдолазой на два углеродных сахара: 3-фосфоглицериновый альдегид и диоксиацетонфосфат, которые могут превращаться друг в друга под влиянием фермента триозофосфатизомеразы.

3-фосфоглицериновый альдегид реагирует с соединением, содержащим SH-группу, при этом образуется группировка, способная отдавать водород молекуле НАД. Продукт этой реакции - фосфоглицериновая кислота, связанная с SH-группой фермента, затем реагирует с неорганическим фосфатом, образуя 1,3-дифосфоглицериновую кислоту и свободный фермент с SH-группой. Другой продукт - 3-фосфоглицериновая кислота превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту, после чего происходит образование макроэргического фосфата путем отщепления молекулы воды (дегидратация). Продукт этой реакции - фосфопировиноградная кислота - может отдавать свою фосфатную группу молекуле АДФ с образованием АТФ и свободной пировиноградной кислоты. Это вторая макроэргическая фосфатная связь, образовавшаяся на уровне субстрата при превращении глюкозы в пировиноградную кислоту. Из каждой молекулы глюкозы образуются по 2 молекулы 3-фосфоглицеринового альдегида и таким образом, в процессе превращения глюкозы в пировиноградную кислоту образуются 4 макроэргические связи. Однако две из них используются в самом этом процессе. Поэтому в конечном итоге мы получаем 2 макроэргические связи.

1 и 3 реакции лимитируют (определяют) скорость гликолиза, ингибируются АТФ.

В анаэробных условиях, в отсутствие кислорода, служащего конечным акцептором электронов, реакции переноса электронов прекращаются, как только все промежуточные акцепторы перейдут в восстановленное состояние, “приняв” все возможное количество электронов. Метаболизм глюкозы в этих условиях ведет к накоплению пировиноградной кислоты, которая принимает атомы водорода от восстановленных пиридиннуклеотидов с образованием молочной кислоты и окисленного НАД+, эту реакцию катализирует лактатдегидрогеназа, действующая в обратном направлении. В результате превращения глюкозы в молочную кислоту образуются 2 макроэргические фосфатные связи и таким путем клетки даже в отсутствие кислорода могут получать небольшое количество энергии. В клетках дрожжей пировиноградная кислота превращается в ацетальдегид, который может принимать атомы водорода от восстановленного НАДН с образованием НАД+ и этилового спирта.

Синтез гликогена из глюкозы протекает в несколько этапов.

Сначала глюкоза фосфорилируется за счет АТФ и превращается в глюкозо-6-фосфат. Эта реакция катализируется глюкокиназой.

Далее глюкозо-6-фосфат переходит в глюкозо-1-фосфат (фосфоглюкомутаза). Глюкозо-1-фосфат реагирует с уридинтрифосфатом (УТФ), при этом образуется уридинфосфоглюкоза. Глюкозный остаток УДФ глюкозы используется для удлинения молекулы гликогена, а освободившийся УДФ фосфорилируется за счет АТФ и превращается в УТФ. Таким образом, процесс синтеза гликогена протекает с затратой энергии, освобождающейся при распаде АТФ.

Преобладающим путем распада является фосфоролитический путь.

Гликогенолиз - распад гликогена до глюкозо-6-фосфата, который может включаться в процесс гликолиза:

• 1) гликоген распадается до глюкозо-1-фосфата. При участии фермента фосфорилазы;
• 2) Далее глюкозо-1-фосфат под действием фосфоглюкомутазы превращается в глюкозо-6-фосфат дальнейшие превращения идут в двух направлениях.

Поступающая в печень фруктоза фосфорилируется за счет АТФ при участии фруктокиназы, в результате образуется фруктозо-1-фосфат, далее под действием альдолазы он расщепляется на две триозы и затем превращается в пировиноградную кислоту.

Распад и синтез гликогена в печени, эти 2 процесса обеспечивают постоянство концентрации сахара в крови.

Соотношение между синтезом и распадом регулируется нейро-гуморальным путем. АКТГ, глюкокортикоиды и инсулин увеличивают содержание гликогена в печени.

Адреналин, глюкагон, соматотропный гормон гипофиза и тироксин стимулируют распад гликогена. углевод биологический анаэробный

Механизм действия этих гормонов неодинаков...

Инсулин угнетает глюкозо-6-фосфатазу, способствуя накоплению гликогена.

Глюкокортикоиды увеличивают количество гликогена в печени косвенным путем, способствуя превращению белков и жиров в углеводы.

АКТГ стимулирует синтез гликогена через кору надпочечников.

Адреналин и глюкогон вызывают распад гликогена, активируя фосфорилазу.

Соматотропный гормон гипофиза уменьшает количество гликогена в печени косвенно стимулируя выделение глюкогона поджелудочной железой.

Глюконеогенез - это синтез глюкозы из неуглеводных компонентов, например молочной или пировиноградной кислот.

Протекает в клетках печени и почек.

Большинство реакций глюконеогенеза представляет собой обращение реакций гликолиза.

Процесс окисления аминокислот начинается с их дезаминирования, т. е., отщепления аминогруппы.

Оставшаяся углеродная цепь подвергается дальнейшим превращениям и в конце концов вступает в цикл Кребса.

Так, например, аланин, после дезаминирования дает пировиноградную кислоту. Глутаминовая кислота кетоглутаровую, а аспарагиновая - щавелевоуксусную. Эти 3 аминокислоты вовлекаются в цикл Кребса непосредственно другие аминокислоты, помимо реакции дезаминирования должны пройти еще несколько дополнительных реакций, прежде чем они смогут участвовать в цикле Кребса.

Литература

• 1. Мецлер Д. Биохимия. Т. 1, 2, 3. “Мир”, 2000.
• 2. Ленинджер Д. Основы биохимии. Т. 1, 2, 3. “Мир”, 2002.
• 3. Фримель Г. Иммунологические методы. М. “Медицина”, 2007.
• 4. Медицинская электронная аппаратура для здравоохранения, М., 2001.
• 5. Резников А.Г. Методы определения гормонов. Киев “Наукова думка”, 2000.
• 6. Бредикис Ю.Ю. Очерки клинической электроники. М. “Медицина”, 1999.

Онкология

К чему снится радуга по соннику Увидеть радугу сне что означает

Питание

К чему снится банк по соннику

Ревматология

Съедобные новогодние подарки

Новое на сайте

Как весело провести день святого Валентина в школе?

Развитие собственной научной базы и технологичности отрасли

Задачи и функции отдела защиты государственной тайны и мобилизационной подготовки

Домашние птицы:утки Краткое описание утки

Как отличить сырое яйцо от вареного?

>

Самое популярное

Гой ты еси. Гой еси. Смотреть что такое "Гой еси" в других словарях

Творчество и интересные факты из жизни льва николаевича толстого

Россия запретила ввоз "ножек Буша"

Правила приема пищи Работа может использоваться для проведения уроков и докладов по предмету "Философия"

Презентация августин блаженный Презентация на тему