И. Э. Егорова, А. И. Суслова, В. И. Бахтаирова биохимия. Краткий курс
 Скачать 1.92 Mb.
|
|
4. ОБМЕН УГЛЕВОДОВ 4.1. ПЕРЕВАРИВАНИЕ И ВСАСЫВАНИЕ При калорийности рациона 2000–3000 ккал суточное потребление углеводов составляет 300–450г. С пищей поступает крахмал, сахароза, лактоза, пищевые волокна (клетчатка и др.). Переваривание углеводов начинается в 37 ротовой полости при участии α-амилазы слюны, которая расщепляет в крахмале α-1,4-гликозидные связи. Полное расщепление крахмала здесь не происходит, так как пребывание пищи во рту кратковременно. Из крахмала в ротовой полости образуются крупные фрагменты – декстрины. Желудочный сок не содержит ферментов, расщепляющих углеводы. Дальнейшее переваривание углеводов происходит в тонком кишечнике. Фермент поджелудочной железы α-амилаза расщепляет α-1,4-гликозидные связи крахмала и декстринов, α-1,6-гликозидные связи расщепляются ферментом кишечного сока – амило-1,6-гликозидазой. При действии двух ферментов образуется дисахарид мальтоза. Амилаза поджелудочной железы не расщепляет β-1.4-гликозидные связи, которыми соединены остатки глюкозы в молекуле целлюлозы. Поэтому пищевые волокна не перевариваются, но они должны присутствовать в рационе, так как улучшают перистальтику, ускоряют чувство насыщения и снижают уровень холестерина в крови, поскольку на них происходит адсорбция желчных кислот и выведение их из организма. Пищевые волокна обязательно должны присутствовать в рационе при ожирении, запорах, атеросклерозе, сахарном диабете. Мальтоза, образовавшаяся из крахмала, а также дисахариды пищи – сахароза и лактоза перевариваются ферментами тонкого кишечника – дисахаридазами. Эти ферменты работают не в просвете кишечника, а на поверхности эпителиальных клеток кишечника. Мальтоза расщепляется мальтазой до 2 молекул глюкозы, лактоза – лактазой до глюкозы и галактозы, сахароза – сахаразой до глюкозы и фруктозы (рис. 3). Все моносахариды всасываются, сначала путем облегченной диффузии, а затем активным транспортом в симпорте с ионами Nа + Рис.3. Катаболизм дисахаридов и патогенез дисахаридозов В крови воротной вены содержатся три моносахарида: глюкоза, фруктоза и галактоза. Все они попадают в печень, где происходит унификация фруктозы и галактозы, т.е. они превращаются в глюкозу – единственный моносахарид, используемый всеми клетками нашего организма. 38 Дисахаридозы – нарушение переваривания дисахаридов, связанные с недостаточной активностью дисахаридаз. Недостаточная активность ферментов может быть врожденной и приобретенной. Симптомы врожденных форм проявляются достаточно рано, например, после первого кормления грудным молоком (при дефиците лактазы) или при добавлении в рацион сахара или крахмала. Приобретенные формы могут наблюдаться при заболеваниях кишечника. Нерасщепленные дисахариды вызывают осмотическую диарею, сбраживаются микрофлорой кишечника с образованием углекислого газа, что приводит к метеоризму, коликам. В крови отмечается гипогликемия, у детей обычно снижается масса тела. 4.2. ОБМЕН ГЛИКОГЕНА Многие ткани в качестве резервной формы глюкозы синтезируют гликоген. Синтез и распад гликогена обеспечивают постоянство концентрации глюкозы в крови. Синтез гликогена происходит в покое и сытости, как любой анаболический процесс требует энергии. Депонируется гликоген главным образом в печени и мышцах. Глюкоза, поступившая в клетку, фосфорилируется при участии гексокиназы за счет АТФ, при этом образуется глюкозо-6-фосфат, Глюкозо-1-фосфат + УТФ < = > УДФ-глюкоза + Пирофосфат Приводим структурную формулу УДФ-глюкозы: 39 Рис.4. Синтез гликогена который в ходе обратимой реакции под действием фосфоглюкомутазы превращается в глюкозо-1-фосфат (рис. 4). Затем при участии УТФ глюкозо-1- фосфат превращается в УДФ-глюкозу. Эта молекула используется как донор остатков глюкозы при синтезе гликогена. Так как гликоген в клетке никогда не расщепляется полностью, синтез гликогена осуществляется путем удлинения уже имеющейся молекулы полисахарида, называемой «затравка». К «затравке» последовательно присоединяются остатки глюкозы из УДФ-глюкозы α- 1,4-гликозидной связью при участии фермента гликогенсинтазы. Разветвленная структура гликогена образуется при участии «фермента ветвления». Регуляторными ферментами в синтезе гликогена являются гликогенсинтаза и гексокиназа. Синтез гликогена увеличивается под влиянием инсулина, а тормозится глюкагоном, катехоламинами, глюкокортикостероидами. Распад гликогена происходит путем последовательного отщепления остатков глюкозы в виде глюкозо-1-фосфата. Гликозидная связь расщепляется с присоединением неорганического фосфата, поэтому процесс называется фосфоролизом, а фермент – фосфорилазой. Образовавшийся глюкозо-1-фосфат затем изомеризуетсяфосфоглюкомутазой до глюкозо-6-фосфата. В печени (но не в мышцах) глюкозо-6-фосфат может гидролизоваться с образованием глюкозы, которая выделяется в кровь. Эту реакцию катализирует глюкозо-6- фосфатаза. Мышечный гликоген не используется для поддержания уровня глюкозы в крови, так как в мышцах нет фермента глюкозо-6-фосфатазы и образование свободной глюкозы там невозможно, а глюкозо-6-фосфат не может проникать через мембрану клеток. Таким образом, печень запасает глюкозу в виде гликогена не столько для собственных нужд, сколько для поддержания постоянной концентрации глюкозы в крови. Функция мышечного гликогена 40 заключается в освобождении глюкозо-6-фосфата, потребляемого в самой мышце для окисления и использования энергии. Рис.5. Обмен гликогена в печени Регуляторными ферментами распада гликогена являются фосфорилаза и глюкозо-6-фосфатаза (рис. 5). Процесс распада усиливают катехоламины, глюкагон, глюкокортикостероиды; тормозит инсулин. 4.3. РАСПАД ГЛЮКОЗЫ В АЭРОБНЫХ И АНАЭРОБНЫХ УСЛОВИЯХ Катаболизм глюкозы – основной поставщик энергии для большинства клеток организма. Аэробный распад протекает в условиях достаточного снабжения тканей кислородом. Он включает несколько стадий: 1. Аэробный распад глюкозы до двух молекул пирувата в гиалоплазмеклеток,который можно разделить на 2 этапа: а)подготовительный этап, в ходе которого глюкозафосфорилируется и расщепляется на две молекулы фосфотриоз. б) основной этап, сопряженный с синтезом АТФ. В результате серии реакций фосфотриозы превращаются в пируват. 2. Превращение пирувата в ацетил-КоА и окисление последнего в цикле Кребса 3. Дыхательная цепь Глюкозо-6-фосфат, образованный в результате фосфорилирования глюкозы с участием АТФ, в ходе следующей реакции превращается в фруктозо-6-фосфат. Это обратимая реакция изомеризации протекает при участии глюкозофосфатизомеразы. 41 Затем следует еще одна реакция фосфорилирования за счет АТФ, катализирует ее фосфофруктокиназа. В ходе этой реакции фруктозо-6-фосфат превращается в фруктозо-1,6-бисфосфат. Этот метаболит далее расщепляется на 2 триозофосфата: ФГА – фосфоглицериноый альдегид или глицероальдегид-3-фосфат и диоксиацетонфосфат (ДОАФ), реакцию катализирует альдолаза. В последующих реакциях гликолиза используется только ФГА, поэтому ДОАФ превращается с участием фермента триозофосфатизомеразы в ФГА. На этом заканчиваетсяподготовительный этап. 42 Основной этап аэробного распада включает реакции, связанные с синтезом АТФ. Сначала происходит окисление ФГАприучастии ФГА- дегидрогеназы. Этот фермент является НАД + -зависимымым. Восстановленный НАД + затем окисляется в дыхательной цепи (перенос НАДН в митохондрии, где находится дыхательная цепь, происходит при участии челночных механизмов, это связано с тем, что митохондриальная мембрана непроницаема для НАДН). Кроме того, свободная энергия окисления этой реакции концентрируется в макроэргической связи продукта реакции. Продуктом реакции является 1,3-бисфосфоглицерат.Для фосфорилирования используется Н 3 РО 4 В следующей реакции высокоэнергетический фосфат передается на АДФ с образованием АТФ. Катализирует реакцию фосфоглицераткиназа. АТФ в данной реакции образуется путем субстратного фосфорилирования. Продуктом реакции является 3-фосфоглицерат. В следующей реакции происходит перенос фосфата из 3 положения во второе с образованием 2-фосфоглицерата. Из него при отщеплении воды образуется фосфоенолпируват. 43 Фосфоенолпируват – макроэргическое соединение, фосфатная группа которого в следующей реакции переносится на АДФ с образованием АТФ при участии пируваткиназы (это вторая реакция субстратного фосфорилирования). Продуктом реакции является пируват. Во второй стадии пируват превращается в ацетил-КоА, который сгорает в цикле Кребса и дыхательной цепи (третья стадия) до СО 2 и Н 2 О. Всего при аэробном окислении глюкозы выделяется 32 АТФ (в случае работы малат-аспартатного челночного механазма.При работе глицерофосфатной челночной системы образуется 30 АТФ). Анаэробный гликолиз представляет собой распад глюкозы в анаэробных условиях (условиях недостаточного снабжения кислородом), поэтому он не зависит от работы митохондриальной дыхательной цепи. АТФ в гликолизе образуется путем субстратного фосфорилирования. Конечным продуктом является лактат. Все реакции анаэробного гликолиза (11 реакций) протекают в гиалоплазме. Первые 10 реакций до пирувата идентичны аэробному распаду. В последней реакции происходит восстановление пирувата в лактатцитозольным НАДН. (рис. 6). Реакцию эту катализирует лактатдегидрогеназа. С помощью этой реакции обеспечивается регенерация НАД + из НАДН без участия дыхательной цепи в ситуациях, связанных с недостаточным снабжением клеток кислородом. Роль акцептора водорода от НАДН (подобно кислороду в дыхательной цепи) выполняет пируват. Таким образом, значение реакции восстановления пирувата заключается не в образовании лактата, а в том, что данная цитозольная реакция обеспечивает регенерацию НАД + К тому же лактат не является конечным продуктом метаболизма, удаляемым из организма (лактат – тупиковый метаболит). Он выводится в кровь и утилизируется: либо превращается в глюкозу (75%), либо при доступности кислорода окисляется до СО 2 и Н 2 О (25%). Энергетический выход анаэробного гликолиза составляет 2 АТФ. Недостатками анаэробного гликолиза являются: малый энергетический выход по сравнению с аэробным распадом и накопление лактата, что приводит к ацидозу, усталости. 44 Рис.6. Гликолиз Достоинства гликолиза: он полезен при выполнении кратковременной работы, является единственным источником энергии для эритроцитов (в них отсутствуют митохондрии), а также необходим в разных органах при дефиците кислорода (наложение жгута, падение давления, нарушение кровотока). Регуляция.Регуляторными ферментами гликолиза являются: гексокиназа, фосфофруктокиназа и пируваткиназа. Аллостерическими ингибиторами являются АТФ и цитрат. Стимулирует гликолиз инсулин, а тормозят глюкагон, глюкокортикостероиды. Катехоламины тормозят гликолиз в печени и активируют в мышцах. 4.4. ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ Некоторые ткани нуждаются в постоянном поступлении глюкозы. Когда поступление углеводов в составе пищи недостаточно, содержание глюкозы в крови некоторое время поддерживается в пределах нормы за счет расщепления гликогена в печени. Однако запасы гликогена в печени невелики, они практически полностью исчерпываются после суточного голодания. В этом случае в печени начинается глюконеогенез (ГНГ) – процесс синтеза глюкозы из веществ неуглеводной природы. Его основной функцией является поддержание уровня глюкозы в крови в период длительного голодания и интенсивных физических нагрузок. В первую очередь это важно для головного мозга (он не может обеспечивать потребности в энергии за счет окисления жирных кислот) и эритроцитов – в них аэробный путь распада веществ невозможен из-за 45 отсутствия митохондрий. Процесс в основном (на 90%) протекает в печени и менее интенсивно в корковом веществе почек и слизистой тонкого кишечника. Субстратами ГНГ являются лактат, аминокислоты, глицерин. Аминокислоты включаются в ГНГ при длительном голодании или продолжительной мышечной работе. Глицерин освобождается в процессе липолиза из жировой ткани в период голодания или при длительной физической нагрузке. Лактат – продукт анаэробного гликолиза. Его источником в покое являются эритроциты, а при работе – мышцы. Таким образом, лактат используется в глюконеогенезе постоянно. Большинство реакций глюконеогенеза протекает за счет обратимых реакций гликолиза и катализируется теми же ферментами. Однако три реакции гликолиза необратимы. На этих стадиях реакции ГНГ протекают другими путями (обходные пути ГНГ). Первая необратимая реакция – образование из пируватафосфоенолпирувата. В ГНГ это происходит в ходе двух реакций. Пируват в митохондриях карбоксилируется с образованием оксалоацетата при участии пируваткарбоксилазы – биотинзависимого фермента. Реакция протекает с использованием энергии АТФ. Фосфоенолпируваткарбоксикиназа с затратой энергии ГТФ превращает оксалоацетат в фосфоенолпируват. Дальнейшие реакции ГНГ вплоть до образования фруктозо-1,6-бисфосфата протекают в цитозоле и катализируются гликолитическими ферментами. Затем следует еще одна необратимая реакция ГНГ, катализируемая фруктозо-1,6- бисфосфатазой, в которой происходит отщепление остатка фосфорной кислоты гидролитическим путем. Образующийся при этом фруктозо-6-фосфат гликолитическим ферментом изомеризуется до глюкозо-6-фосфата, от которого отщепляется остаток фосфорной кислоты при участии еще одного необратимо работающего фермента – глюкозо-6-фосфатазы. Образовавшаяся свободная глюкоза из клетки выходит в кровь. В ходе ГНГ расходуется 6 моль АТФ на синтез 1 моль глюкозы из пирувата или лактата. Ключевыми ферментами ГНГ, катализирующими необратимые обходные реакции, являются: пируваткарбоксилаза, фосфоенолпируваткарбоксикиназа, фруктозо-1,6-бисфосфатаза и глюкозо-6-фосфатаза. Активируют ГНГ аллостерически АТФ и цитрат, обязательным активатором первого фермента является ацетил-КоА. ГНГ усиливают гормоны: глюкагон, глюкокортикостероиды. Тормозит ГНГ гормон покоя и сытости – инсулин. Лактат, образовавшийся в ходе анаэробного гликолиза, не является конечным продуктом метаболизма. Использование лактата связано с его превращением в печени в пируват и с дальнейшим использованием последнего. Лактат, поступивший из интенсивно работающих мышц, выходит в кровь, а затем поступает в печень. В печени в лактатдегидрогеназной реакции лактат превращается в пируват, который включается в ГНГ, а образовавшаяся глюкоза поступает в кровь и поглощается скелетными мышцами. Эту последовательность событий называют «глюкозо-лактатным циклом», или «циклом Кори». Цикл Кори выполняет две важнейшие функции: обеспечивает утилизацию лактата и предотвращает лактатацидоз. Часть пирувата, 46 образовавшегося из лактата (25%), окисляется печенью до СО 2 и Н 2 О с освобождением энергии. 4.5. ПЕНТОЗОФОСФАТНЫЙ ПУТЬ ПРЕВРАЩЕНИЯ ГЛЮКОЗЫ Функционирует в цитозоле клетки с пластической целью, то есть его главные продукты – рибозо-5-фосфат и НАДФН используются для синтезов. Пентозофосфатный путь (ПФП) может протекать в двух вариантах – окислительного и неокислительного. Окислительный вариант включает 2 реакции дегидрирования, катализируемых НАДФ-зависимыми дегидрогеназами. Суммарное уравнение окислительного варианта можно представить в таком виде: Глюкозо-6-фосфат + 2 НАДФ + Рибозо-5-фосфат + 2 НАДФН+ 2Н + +СО 2 Неокислительный вариант ПФП включает серию обратимых реакций, катализируемых транскетолазой и трансальдолазой, первая в качестве кофермента использует ТПФ. В качестве промежуточных соединений в этом варианте образуются углеводы, содержащие от 3 до 7 атомов углерода. В этом варианте нет реакций дегидрирования, поэтому он используется только для синтеза пентоз. Суммарное уравнение реакций неокислительного варианта: 5 глюкозо-6-фосфат 6 рибозо-5-фосфат Роль ПФП определяется его конечными продуктами: рибозо-5фосфатом и НАДФН. Рибозо-5-фосфат необходим для синтеза нуклеотидов, а затем и нуклеиновых кислот (ДНК и РНК). Быстрый синтез ДНК происходит в быстро делящихся тканях: красный костный мозг, эмбрион, базальный слой эпителия кожи, слизистая тонкого кишечника и др. Также рибозо-5-фосфат необходим для синтеза РНК и далее биосинтеза белка – в печени, экзокринных железах, синтезирующих белок на экспорт, а также усиленный синтез белка происходит при гипертрофии тканей. При этом у взрослого человека есть ткани, которые практически не делятся, а значит, в них ПФП неактивен. Но и в этих тканях ПФП может активироваться, например, при процессах репарации. Другой про- дукт ПФП – НАДФН необходим для реакций гидроксилирования и для восстановительных биосинтезов. Он активно используется для биосинтеза жирных кислот в жировой ткани, в печени; для синтеза холестерина (печень), для синтеза стероидных гормонов в эндокринных железах, для реакций гидроксилирования эндогенных веществ и ксенобиотиков. В эритроцитах НАДФН необходим для работы антиоксидативной системы, что обеспечивает их устойчивость к гемолизу. 4.6. ГОМЕОСТАЗ ГЛЮКОЗЫ КРОВИ Уровень глюкозы крови поддерживается на постоянном уровне за счет того, что пути поступления глюкозы в кровь и пути расходования глюкозы крови между собой сбалансированы. При этом в течение суток уровень 47 глюкозы не является одинаковым, но у здорового человека эти колебания лежат в пределах нормы (3,3 – 5,5 ммоль/л для капиллярной крови). Источниками глюкозы крови являются: углеводы пищи, гликоген печени и органические кислоты, которые в результате глюконеогенеза превращаются в глюкозу. Расходуется глюкоза крови всеми клетками организма, при этом в одни клетки глюкоза поступает диффузно (например, головной мозг), а в другие – с помощью инсулина. Кроме того, глюкоза из крови в результате фильтрации попадает в первичную мочу, но затем в результате реабсорбции она возвращается в сосудистое русло (рис. 7). Рис.7. Гомеостаз глюкозы крови В регуляции уровня глюкозы крови принимают участие гормоны. Гормоны делятся на гипогликемические, т.е. снижающие уровень глюкозы крови, и гипергликемические, т.е. повышающие уровень глюкозы крови. Единственным гипогликемическим гормоном является инсулин. Гипергликемическими гормонами являются: глюкагон, катехоламины (адреналин и норадреналин), ГКС и соматотропный гормон (СТГ). При гипергликемии (повышении глюкозы крови, которое может быть вызвано алиментарной причиной, сахарным диабетом, стрессом, некрозом поджелудочной железы, избытком гипергликемических гормонов) усиливается выработка инсулина, который за счет своих эффектов снижает уровень глюкозы крови. Это происходит за счет усиления потребления глюкозы тканями (в связи с увеличением проницаемости мембран для глюкозы в мышечной, жировой и соединительной тканях, усилением синтеза гликогена, гликолиза и пентозофосфатного пути), а также за счет торможения поступления глюкозы из тканей в кровь (в результате торможения распада гликогена и торможения глюконеогенеза). При гипогликемии (снижении уровня глюкозы крови, которое может быть вызвано алиментарной причиной, патологией печени и ЖКТ, избытком 48 инсулина, при алкоголизме и др.) усиливается выработка гормонов гипергликемических, которые повышают уровень глюкозы крови. Это обусловлено усилением глюконеогенеза и распада гликогена, торможением синтеза гликогена и гликолиза. СТГ при этом действует опосредованно, путем усиления секреции глюкагона. |