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.

 

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.