Лекции по биохимии тверь,2012 1 модуль. Строение и свойства белков и ферментов Вводная лекция

• Название: Лекции по биохимии тверь,2012 1 модуль. Строение и свойства белков и ферментов Вводная лекция
• Анкор: lektsiiBiokh.doc
• Дата: 22.03.2018
• Размер: 0.64 Mb.
• Имя файла: lektsiiBiokh.doc
• Тип: Лекции; #17046
• страница: 2 из 10

2 модуль. Биологическое окисление. Биохимия питания.

Основы рационального питания. Витамины.

Существуют определенные требования, предъявляемые к рациональному питанию человека, которые обеспечивают нормальное протекание биохимических процессов в его организме. Пища должна содержать следующие компоненты: незаменимые аминокислоты и высшие жирные кислоты (линолевая, линоленовая, арахидоновая), витамины и витаминоподобные вещества, минеральные компоненты пищи (макро- и микроэлементы), клетчатку (целлюлоза, пектин, лигнин), воду.

Количество калорий, необходимое человеку, зависит от многих факторов (возраста, пола, типа нервной деятельности, профессии, беременности, лактации и т. д.) и в среднем должно составлять 2200 - 3000 ккал (9200 – 12600 кДж). Несоответствие потребляемых с пищей калорий жизнедеятельности человека может приводить к снижению или, наоборот, увеличению массы тела: избыточное потребление пищи может привести к ожирению, а недостаточное – к истощению.

Установлено, что пища должна содержать рациональное (оптимальное) соотношение белков, жиров и углеводов, которое распределяется таким образом: основная часть потребляемой пищи приходится на углеводы (58%), 30% составляют липиды и 12% белки.

Суточная потребность в углеводах составляет около 400 г. Они являются основным энергетическим материалом, легко метаболизируются (требуют малых затрат кислорода) и конечные продукты обмена (Н₂О и СО₂) не токсичны_. Однако они мало содержат незаменимых компонентов, а при изменении рациональной доли поли- и моносахаров в питании возникают нарушения в метаболизме и развитие различных заболеваний.

Суточная потребность в липидах составляет 80 — 100 г. Рациональное соотношение жидких и твердых жиров в питании людей ≈50/50 (около 20 –25 г в сутки должно быть растительных липидов, содержащих ненасыщенные жирные кислоты). Липиды являются наиболее энергоемким компонентом пищи, источником незаменимых жирных кислот и биологически активных веществ (эйкозаноидов). Однако для их окисления требуется много кислорода. Избыток липидов в пище ведет к нарушению их обмена и развитию ряда заболеваний (атеросклероз, ИБС, ожирение).

Суточная потребность в белке определяется возрастом, профессией, состоянием организма и составляет ≈ 0,75 г/кг массы тела, причем из них половина должна быть животного происхождения. Белки – это источник азота, незаменимых аминокислот, энергии, но они сложно метаболизируются, а конечные продукты их распада – аммиак и мочевина – весьма токсичны.

Большое значение отводится режиму приема пищи (2-х, 3-х, 4-х разовое питание) и дробности поступления пищи (утро – день – вечер), что обуславливает необходимую секрецию ферментов для ее переваривания. Следует также учитывать индивидуальные привычки и национальные традиции в питании, а также адекватность состава пищи состоянию организма. Например, больным сахарным диабетом необходимо ограничивать потребление углеводов, при заболевании печени и почек необходимо ограничение потребления белков, при атеросклерозе и ИБС – липидов.

Метаболизм этилового спирта включает следующие основные реакции: преобразование этанола в уксусный альдегид при участии алкогольдегидрогеназы (кофермент НАД) и дальнейшее окисление уксусного альдегида в уксусную кислоту под действием ацетальдегиддегидрогеназы (кофермент НАД). Уксусная кислота превращается в свою активную форму – ацетил-КоА, который может окисляться в цикле Кребса. В связи с простотой метаболизма этилового спирта (необходимо всего два фермента для его окисления до ацетил-КоА) клетки предпочитают легкий способ производства энергии из этого продукта, что ведет к их привыканию к этанолу и, в конечном итоге, к зависимости организма от поступления с пищей алкогольных напитков. При злоупотреблении спиртными напитками нарастает дефицит поступления в организм незаменимых компонентов пищи (незаменимых аминокислот, высших жирных кислот, витаминов, минеральных веществ и клетчатки). Алкогольдегидрогеназа и ацетальдегиддегидрогеназа, конкурируя с другими энзимами за НАД, тормозят многие реакции окисления веществ в клетке. Нарушаются обмены белков, углеводов, фосфолипидов (усиливается распад белков, снижается скорость глюконеогенеза – возникает гипогликемия, интенсивно синтезируются только триглицериды - в результате развивается жировая дистрофия печени).

Витамины отличаются от других органических веществ тем, что они не включаются в структуру тканей, не используются в качестве источника энергии, чаще всего выполняют роль коферментов в составе ферментов (B₁, B₂, B₃, B₅ и др.) или другие специальные функции (A, D, E, K). Витамины в организме превращаются в кофермент, который связывается с апоферментом и образуется активный фермент. Источники витаминов для человека: пищевые продукты; синтез микрофлорой кишечника (K, B₁, B₃, B₆, B₉, H). Провитамины – предшественники витаминов. Витамин A (ретинол) образуется в клетках тонкого кишечника из β-каротина (провитамин). Витамин D₃ (холекальциферол) образуется в клетках кожи из 7-дегидрохолестерина (провитамин).

Антивитамины – по механизму действия это 1) структурные аналоги витаминов, которые конкурируют за связывание с определенным ферментом, например, дикумарол – антивитамин K, снижает свертываемость крови; 2) вещества, которые связывают витамины и не дают образоваться активному ферменту, например, авидин; 3) вещества, которые разрушают витамины, например фермент тиаминаза разрушает витамин B₁ (тиамин)
Классификация витаминов

I Жирорастворимые

II Водорастворимые

III Витаминоподобные вещества (синтезируются из промежуточных продуктов обмена веществ и выполняют функции, сходные с витаминами)


Жирорастворимые витамины:

- A (антиксерофтальмический), ретинол

- D (антирахитический), кальциферолы

- K (антигеморрарический), нафтохиноны

- E (витамин размножения), токоферолы
Водорастворимые витамины:

- B₁ (антиневритный), тиамин

- B₂ (витамин роста), рибофлавин

- B₃ (антидерматитный), пантотеновая кислота

- B₅ (PP – антипеллагрический), никотинамид

- B₆ (антидерматитный), пиридосин

- B₉ (антианемический), фолиевая кислота

- B₁₂ (антианемический), кобаламин

- H (антисеборейный), биотин

- C (антискорбутный), аскорбиновая кислота

- P (капилляроукрепляющий), биофлавоноиды
Витаминоподобные вещества («витамины»):

- F (линолевая, линоленовая, арахидоновая кислоты)

- B₄ (холин)

- B₈ (инозит)

- B₁₃ (оротовая кислота)

- B₁₅ (пангамовая кислота)

- Bт (карнитин)

- N (липоевая кислота)

- коэнзим Q (убихинон)

- Парааминобензойная кислота

- U (S-метил-метионин – противоязвенный фактор)
Водорастворимые витамины

Название	Суточная потребность, мг	Кофермент-ная форма	Биологические функции	Характер-ные признаки авитаминозов
В1 (тиамин)	2-3	ТДФ	Декарбоксилирование а-кетокислот, перенос активного альдегида (транскетолаза)	Полиневрит
В 2 (рибофлавин)	1,8-2,6	ФАД ФМН	В составе дыхательных ферментов, перенос водорода	Поражение глаз (кератиты, ката­ракта)
В3 (пантотено-вая кислота)	10-12	KoA-SH	Транспорт ацильных групп	Дистрофии-ческие изменения в надпочеч-никах и нервной ткани
В6 (пиридоксин)	2-3	ПФ (пиридоксаль-фосфат)	Обмен аминокислот (трансаминирование, декар­боксилирование)	Повышенная возбуди-мость нервной системы, дерматиты
РР (ниацин)	15-25	НАД НАДФ	Акцепторы и переносчики водорода	Симметрич-ный дерматит на открытых участках тела, деменция и диарея
Н (биотин)	0,01-0,02	Биотин	Фиксация С02, реакции карбоксилирования (например, пирувата и ацетил-КоА)	Дерматиты, сопровождающиеся усиленной деятельнос-тью сальных желёз
В9 (фолиевая кислота)	0,05-0,4	Тетрагидро-фолиевая кислота	Транспорт одноуглеродных групп	Нарушения кроветворения (анемия, лей­копении)
В12 (кобаламин)	0,001-0,002	Дезоксиаде-нозил- и метилкобала-мин	Транспорт метильных групп	Макроцитарная анемия
С (аскорбино-вая кислота)	50-75		Гидроксилирование пролина, лизина (синтез коллагена), антиоксидант	Кровоточи-вость дёсен, расшатыва-ние зубов, подкожные кровоизлия-ния, отёки
Р (рутин)	Не установлена		Вместе с витамином С уча­ствует в окислительно-вос­становительных процессах, тормозит действие гиалуронидазы	Кровоточи-вость дёсен и точечные кровоизлия-ния

Жирорастворимые витамины

Название	Суточная потребность, мг	Биологические функции	Характерные признаки авитаминозов
А (ретинол)	1-2,5	Участвует в акте зрения, регулирует рост и дифференцировку клеток	Гемералопия (куриная слепота), ксерофтальмия, кератомаляция, кератоз эпителиальных клеток
D (кальциферол)	0,012-0,025	Регуляция обмена фосфора и кальция в организме	Рахит
Е (токоферол)	5	Антиоксидант; регулирует интенсивность свободнорадикальных реакций в клетке	Недостаточно изучены; известно положительное влияние на развитие беременности и при лечении бесплодия
К (нафтохинон)	1-2	Участвует в активации факторов свёртывания крови: II, VII, IX, XI	Нарушение свёртывающей системы крови

Цикл трикарбоновых кислот
Круговорот веществ. В природе существует единый цикл жизни. Фотосинтезирующие клетки растений (аутотрофы) улавливают солнечную энергию и используют её на превращения неорганических веществ — СО₂, Н₂О, N, S в разнообразные, богатые энергией органические соединения (белки, липиды, углеводы). Эти органические молекулы являются пищей для гетеротрофов (животные, человек). Поступая в их организм, они расщепляются с выделением энергии и образованием простых молекул (СО_2, Н₂О, и мочевины). Попадая в окружающую среду, эти молекулы ассимилируются растениями, и цикл жизни повторяется.

Метаболизм – это совокупность всех биохимических реакций в организме (анаболизма и катаболизма), сопровождающаяся обменом энергии. Анаболизм – совокупность биохимических реакций, в результате которых из простых веществ образуются более сложные, что сопровождается затратой энергии. Катаболизм – совокупность биохимических реакций, в результате которых из сложных веществ образуются простые и происходит выделение энергии.

Катаболизм веществ в организме человека условно делят на 3 фазы. I фаза — подготовительная (в желудочно-кишечном тракте) — перевод пищевых или внутриклеточных биополимеров в мономеры, в результате чего происходит разрушение видовой и антигенной специфичности компонентов пищи. II фаза — (в цитоплазме клеток и в митохондриях) — образование из аминокислот, моносахаров и высших жирных кислот универсального субстрата для ЦТК — ацетил-КоА. III фаза — (в митохондриях) — полное окисление ацетил–КоА в цикле Кребса до СО₂ и перенос протонов и электронов с помощью НАД- и ФАД-зависимых дегидрогеназ в дыхательную цепь, а затем на кислород с целью образования АТФ (окислительное фосфорилирование) и тепла.

Процесс анаболизма также имеет 3 основные фазы, но анаболические реакции не являются обратным реакциям катаболизма, поскольку имеют различную внутриклеточную локализацию, другие регуляторные ферменты и протекают с затратой энергии. Взаимосвязь между процессами катаболизма и анаболизма осуществляется через АТФ, который является универсальным макроэргом в клетках живых организмов. Его молекула служит звеном, связывающим между собой различные виды трансформации энергии: химические, механические, электрические, осмотические и другие процессы, идущие с выделением и потреблением энергии. Макроэргическими соединениями называют вещества, аккумулирующие энергию. Эта энергия используется для удовлетворения энергетических потребностей клетки.

Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот, ЦТК) — это циклическая система реакций. ЦТК начинается с взаимодействия ацетил-КоА и оксалоацетата (щавелевоуксусной кислоты - ЩУК) с образованием лимонной кислоты (цитрата). Через ряд реакций образуется снова ЩУК, но в ходе этих реакций молекула ацетил-КоА окисляется до 2 СО₂. При этом коферменты 3 НАД и 1 ФАД восстанавливаются до 3 НАД∙Н+Н⁺ и ФАД∙Н₂. При окислении 3 НАД∙Н+Н⁺ и ФАД∙Н₂ в дыхательной цепи образуется 11 АТФ (окислительное фосфорилирование); за счет субстратного фосфорилирования синтезируется 1 ГТФ (=1АТФ), и в целом получается 12 АТФ как суммарный энергетический итог ЦТК. ЦТК выполняет также интегративную функцию, объединяя пути катаболизма и анаболизма углеводов, липидов и белков. Субстраты и восстановленные коферменты ЦТК используются для синтеза других веществ, например, из ЩУК образуется аспартат и глюкоза, из сукцинил-КоА – гем и т.д. Регуляция цикла Кребса осуществляется изменением соотношений АТФ/АДФ и НАДН₂/НАД⁺: увеличение в клетке содержания АТФ и НАДН₂ ингибируют, а АДФ и НАД⁺ - активируют основные регуляторные ферменты цикла (цитратсинтетазу, изоцитратдегидрогеназу, α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс).
Дыхательная цепь. Биоэнергетика.
Основной источник энергии для всех организмов на Земле — солнечное излучение (в результате реакций ядерного синтеза на Солнце). Под действием солнечной энергии путем фотосинтеза в клетках растений электроны в молекулах Н₂О возбуждаются, т. е. переходят на более высокий энергетический уровень и включаются в состав белков, липидов, углеводов. В процессе распада белков, жиров и углеводов в организме животных совершается обратный переход электронов на более низкий энергетический уровень с образованием Н₂О, что сопровождается высвобождением такого же количества энергии. Следовательно, основной носитель энергии — электрон, а ее источник – Солнце.

Существуют различные формы энергии в природе (тепловая, химическая, электрическая, механическая и др.), взаимосвязь которых отражается законами термодинамики.

Условия, необходимые для сохранения гомеостаза живых организмов (постоянства внутренней среды) – это поступление в неё энергии, т.к. в тканях непрерывно совершаются процессы распада веществ, высвобождения и расхода энергии. В организм животных энергия поступает в форме белков, углеводов и липидов, катаболизм которых ведет к освобождению из них энергии и трансформации ее в энергию макроэргов (АТФ и др.), электрическую энергию, тепловую энергию, механическую, энергию химических связей и др.

Реакции рефосфорилирования АДФ и последующего использования АТФ в качестве источника энергии (дефосфорилирования) образуют цикл, который повторяется 2,5-3 тыс. раз в сутки. Существует 2 способа рефосфорилирования АДФ или синтеза АТФ: окислительное фосфорилирование, субстратное фосфорилирование. Основные субстраты для рефосфорилирования АДФ: окисление белков, жиров и углеводов в ходе их катаболизма в тканях.

Оксидазный путь окисления белков, липидов, углеводов (тканевое дыхание) – основной путь окисления в тканях у животных (используется около 90% кислорода, поступающего в клетки) и одновременно производства энергии (АТФ и тепла). Оксидазный путь окисления субстратов обеспечивается ферментами и коферментами дыхательной цепи. Из них формируется цепь переноса электронов, и кислород используется ими только в качестве акцептора электронов, а затем протонов. Компоненты дыхательной цепи (все они сложные белки, за исключением убихинона) являются энзимами и полипептидами, которые содержат в качестве простетической группы ряд коферментов и кофакторов, из которых формируются редокс-пары, расположенные в определенном порядке (в порядке возрастания их редокс-потенциалов). Редокс-потенциал (окислительно-восстановительный потенциал) характеризует способность переносчика принимать или отдавать электроны.

Компоненты дыхательной цепи в митохондриях организованы в комплексы: четыре белковых комплекса (I, III, IV, V), встроенных во внутреннюю митохондриальную мембрану и две подвижные системы (молекулы-переносчики): – убихинон (КоQ) и цитохромы с. Сукцинатдегидрогеназа из ЦТК рассматривается как комплекс II дыхательной цепи. Электроны и протоны, снимаемые с белков, липидов, углеводов (реакции дегидрирования), поступают в дыхательную цепь двумя путями:

1) при дегидрировании субстратов с помощью НАД-зависимых дегидрогеназ комплекс I переносит электроны и протоны через ФМН и FeS-белок на убихинон;

2) при окислении субстратов (сукцината) флавинзависимыми дегидрогеназами электроны и протоны переносятся на убихинон комплексом II, содержащим ФАДН₂-дегидрогеназу и FeS-белок. Далее электроны попадают на убихинон и систему цитохромов и только цитохром а₃ (в составе цитохромоксидазы) может передать электроны на 1/2О₂ с образованием ионов О^-2, последние соединяются с протонами, снятыми с окисляемых субстратов через дегидрогеназы и KoQ. Образуется эндогенная или метаболическая вода (за сутки образуется 300 – 400 мл). Перенос электронов по дыхательной цепи сопровождается постепенным освобождением из них энергии, часть которой ( 40%) используется на образование АТФ, а остальная энергия рассеивается в виде тепла (теплопродукция). Энергия электронов используется, прежде всего, для переноса протонов в межмембранное пространство митохондрий и формирования протонного градиента (электрохимического потенциала) на внутренней митохондриальной мембране. Образование АТФ сопряжено с обратным потоком протонов из межмембранного пространства в матрикс митохондрии. Однако мембрана митохондрий непроницаема для протонов. В митохондриях только АТФ-синтетаза (комплекс V) позволяет осуществить обратное движение протонов из межмембранного пространства в матрикс митохондрий, и этот же энзим катализирует образование АТФ. Таким образом, синтез АТФ сопряжен с окислением субстратов, а затем коферментов и кофакторов дыхательной цепи с участием кислорода. Поэтому процесс (окисления субстратов и фосфорилирования АДФ с образованием АТФ) получил название окислительного фосфорилирования. Сопряжение окисления и фосфорилирования (синтез АТФ) возможны только на 3 или 2 участках дыхательной цепи, где энергии выделяется в достаточном количестве для фосфорилирования АДФ и образования АТФ.

Если протоны поступают в межмембранное пространство через комплексы I, III и IV, то образуется 3 молекулы АТФ и коэффициент фосфорилирования (отношение ) = 3; если протоны поступают через комплексы II, III и IV, то образуется 2 молекулы АТФ и коэффициент фосфорилирования () = 2. Коэффициент фосфорилирования () – это количество неорганического фосфата, включенного в 2 или 3 молекулы АТФ в процессе переноса 2 e^- на 1 атом кислорода. При некоторых условиях окисление, т.е. перенос электронов по дыхательной цепи, происходит, но без синтеза АТФ (фосфорилирования). Этот процесс называется разобщением окислительного фосфорилирования. Разобщители окислительного фосфорилирования (протонофоры, термогенины, свободные жирные кислоты и др.) способствуют расходованию электрохимического потенциала в обход АТФ-синтетазы и поэтому АТФ не образуется. В этих условиях дыхание усиливается, фосфорилирование подавляется (снижается образование АТФ), но увеличивается теплопродукция. Скорость образования АТФ зависит от энергетического состояния клеток, т.е отношения: [АТФ] / [АДФ] _* [Фн]. При использовании организмом энергии часть АТФ гидролизуется до АДФ и Фн, энергетический заряд клетки снижается. Повышение концентрации АДФ автоматически увеличивает скорость окислительного фосфорилирования и образования АТФ, т.е. с помощью АДФ контролируется дыхание митохондрий. Этот механизм регуляции энергетического обмена клетки получил название дыхательный контроль. Увеличение содержания АДФ приводит к ускорению и дыхания, и фосфорилирования.

Кроме оксидазного, существуют другие варианты окисления веществ в тканях. Оксигеназный способ окисления субстратов катализируется энзимами моно- и диоксигеназами, которые включают один или 2 атома кислорода, соответственно, в субстрат. Таким способом окисляются желчные кислоты, стероидные гормоны, обезвреживаются чужеродные вещества в организме. В процессе перекисного окисления липидов (ПОЛ) реакционно-способные свободные радикалы окисляют ненасыщенные жирные кислоты, что приводит к образованию гидропероксидов липидов, спиртов, альдегидов, кетонов, малонового диальдегида. ПОЛ стимулирует обновление биологических мембран, выполняет бактерицидную функцию, но также активирует разрушение белков, углеводов, липидов, мембран. Антиоксидантные системы организма защищают клетки от ПОЛ. При пероксидазном окислении веществ образуется перекись водорода, которая обезвреживается ферментами каталазой или пероксидазой.
3 модуль. Обмен и функции углеводов

Химия и функции углеводов. Переваривание углеводов

Углеводы, наряду с белками и липидами, являются важ­нейшими компонентами клеток живых организмов. В них они выполняют весьма разнообразные и важные функции: энергетическую (служат источником макроэргических со­единений и тепла), защитную (полисахариды входят в сос­тав клеточных мембран, антител), структурную (участвуют в образовании тканевых, клеточных и субклеточных струк­тур), используются для биосинтеза нуклеиновых кислот (рибоза и дезоксирибоза), липидов, белков и многих других би­ологически важных соединений.

Источником углеводов организма служат углеводы пищи, основным из которых является крахмал. Крахмал (полисахарид) - это основная форма депонирования углеводов растениями, образуется в них в результате фотосинтеза. Гликоген – форма депонирования углеводов в тканях животных. Лактоза (дисахарид) содержится в молоке, это основной углевод в питании грудных детей. В меде и фруктах содержатся моносахариды глюкоза и фруктоза. Норма углеводов в питании составляет 400-500 г.

Гликопротеины состоят из апопротеина и углеводной части, которая редко превышает 30% (глюкоза, манноза, галактоза, фукоза, их аминопроизводные, нейраминовая и сиаловая кислоты). К гликопротеинам относят большую часть белков, секретируемых клеткой, а также белков плазмы крови (церулоплазмин, гаптоглобин, трансферрин, белки свертывания крови, иммуноглобулины и т. д). К классу гликопротеинов относят почти все белки внешней мембраны клетки. Они обеспечивают «узнавание» клеток, специфичность их контактов и адгезивные свойства. Протеогликаны. В этом семействе сложных белков на долю полисахаридов, представленных гликозаминогликанами (мукополисахаридами), приходится более 95% от всей массы молекулы. Протеогликаны присутствуют в межклеточном веществе тканей и служат «цементом», который скрепляет все клетки в единое целое — орган. Много их содержится в составе хрящей и сухожилий, в составе синовиальной жидкости, где они выполняют функцию смазки трущихся поверхностей суставов. К протеогликанам относится также гепарин (антикоагулянт).

Гидролиз (переваривание) крахмала и гликогена начи­нается в ротовой полости под влиянием амилазы слюны. Из­вестны α,β,γ - формы амилазы слюны. Первая (α-амилаза) гидролизует внутренние связи в молекуле полисахаридов, обра­зуя олигосахара. Вторая (β -амилаза), отщепляет с конца полисахарндной цепи молекулы мальтозы; γ -амилаза от­щепляет от полисахарида молекулы глюкозы. Оптимум рН действия всех названных амилаз лежит в пределах 6,8—7,0. В желудке, где сильно кислая реакция среды (рН 1,5—2,5), названные ферменты неактивны, и углеводы в нем не пере­вариваются. Лишь внутри пищевого комка амилаза слюны продолжает действовать. В 12-перстной кишке углеводы начинают ин­тенсивно расщепляться, т. к. в этом отрезке кишечника зна­чение рН среды нейтральное или даже слабо щелочное, и сюда дополнительно поступает α-амилаза поджелудочной железы. Гликозидные связи, находящиеся в точках ветвле­ния гликогена и амилопектина (1—6 связи) гидролизуются; амило-1,6-глюкозидазой и олиго-1,6-глюкозидазой.

Если от гликогена в желудочно-кишечном тракте отщеп­ляется мальтоза, то она под влиянием мальтазы расщепля­ется на 2 молекулы глюкозы.

Лактоза молока расщепляется под влиянием лактазы на глюкозу и галактозу.

Если с пищей попадает сахароза, то она под влиянием сахаразы расщепляется на молекулы фруктозы и глюкозы.

В конечном итоге все поступившие с пищей поли-, олиго- и дисахара гидролизуются (переварива­ются) до моносахаров— преимущественно до глюкозы, фруктозы и галактозы. Далее все они при активном участии АТФ, ионов натрия, ферментов и других молекул переносят­ся из просвета кишечника в клетки слизистой оболочки (облегченная диффузия, симпорт).

Углеводы, которые не перевариваются в ЖКТ: клетчатка, пектины, лигнины. В ЖКТ нет ферментов, гидролизующих β-1-4-гликозидную связь. Биологическая роль клетчатки (целлюлозы): среда бактериальной флоры, стимулирует перистальтику кишечника, является основой фекалиев и адсорбентом различных токсинов.

Судьба всосавшихся моносахаров различна. Полагают, что более 90% их попадает в печень и там превращает­ся в гликоген. В состав гликогена может включаться толь­ко глюкоза, а фруктоза и галактоза—нет. В связи с этим, по­следние в цитоплазме клеток кишечника изомеризуются и превращаются в глюкозу.

Пути, по которым начнутся дальнейшие превращения этих молекул, многочисленны: это аэробное и анаэробное окисление, использование их для био­синтеза заменимых аминокислот, гликозамигликанов, рибозы и дезоксирибозы, высших жирных кислот, гли­когена; а также многих других важных для организма веществ.

Гликоген - основной резервный полисахарид в клетках животных. Остатки глюкозы соединены в линейных участках α-1-4-гликозидными связями, в местах разветвления α-1-6- гликозидными связями. Гликоген депонируется главным образом в печени и скелетных мышцах. Гликоген синтезируется в период пищеварения (1-2 часа после приема углеводной пищи). Синтез гликогена идет с затратой энергии, сопряженной с расходованием АТФ и УТФ. Синтез гликогена стимулирует гормон инсулин.

Мобилизация гликогена происходит в период между приемами пищи, во время физической нагрузки и при стрессе. Этот процесс происходит в результате каскадного механизма активации фермента фосфорилазы b под действием гормона адреналина и глюкагона. Гликоген печени освобождает глюкозу в кровь, т.к., в отличие от мышц, в печени функционирует фермент глюкозо-6-фосфатаза. Глюкозо-6-фосфат мышц используется для получения энергии.

Биосинтез гликогена происходит после приема пищи, в условиях повышенной концентрации глюкозы в крови с целью ее депонирования. Особой интенсивностью этого процесса отличаются печень и мышцы. Регуляторным ферментом является гликогенсинтетаза, активность которой повышается под действием инсулина.

Взаимопревращения сахаров - это процесс трансформации фруктозы и галактозы в глюкозу или ее производные. Существует несколько вариантов преобразования фруктозы и галактозы в глюкозу в зависимости от типа ткани и возраста.

Пути метаболизма и использования глюкозы в организме у человека многочисленны. Направления, по которым будет катаболизироваться глюкоза, зависят от вида клеток (анаэробы, аэробы или факультативные клетки), условий их существования в окружающей среде, а также от потребностей органов и тканей в различных соединениях, способных синтезироваться из углеводов.

У человека глюкоза катаболизируется преимущественно в аэробных условиях, т. е. при наличии в клетке кислорода. Путь окисле­ния углеводов в аэробных условиях более выгоден с энер­гетической точки зрения, так как каждый моль глюкозы при этом обеспечивает образование приблизительно 686 ккалорий. При катаболизме того же количества глюкозы по ана­эробному пути освобождается всего 47 ккалорий. Однако, анаэробный путь превращения глюкозы крайне важен для организма человека. При недостатке кислорода большинство органов и тканей функционирует некоторое время лишь бла­годаря усилению скорости анаэробного гликолиза. Некоторые ткани находятся в наибольшей зависимости от катаболизма глюкозы, как источника энергии (например, клетки мозга). Недостаточное снабжение мозга глюкозой или гипоксия проявляются головокружением, судорогами, потерей сознания.
Катаболизм углеводов

Катаболизм глюкозы. Аэробный, анаэробный гликолиз.

Гликолиз – процесс окисления глюкозы в результате которого происходит расщепление глюкозы с образование 2 молекул пирувата (аэробный гликолиз) или 2 молекул лактата (анаэробный гликолиз). Аэробный и анаэробный гликолитический путь начинается с фосфорилирования глюкозы. Во многих тканях эту реакцию катализирует гексокиназа (К_м<0,1мМоль/л), а в печени эту реакцию может катализировать и глюкокиназа (К_м<12мМоль/л). Образование глюкозо-6-фосфата - своеобразная «ловушка» для глюкозы.

В аэробном и анаэробном гликолизе можно выделить 2 стадии.

На стадии а) глюкоза распадается с образованием 2 фосфотриоз (фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиацетон). Эти реакции протекают потреблением двух молекул АТФ.

Стадия б) аэробного гликолиза - обеспечивает окисление фосфотриоз до пировиноградной ки­слоты и образование АТФ по механизму субстратного фосфорилирования. В ходе реакций происходит дегидрирование различных метаболитов и восстановление НАД и НАДФ до НАДН₂. Кислород используется клетками (митохондриями) значительно позже — на стадии окисления НАДН₂ в цепи биологического окисления. Это приводит к образованию АТФ по механизму окислительного фосфорилирования. Все этапы гликолитического пути окисления глюкозы происходят в цитозоле. Мембрана митохондрий не проницаема для водорода. Водород транспортируется в митохондрии с помощью челночного механизма. Существует два вида челночных механизмов:

1) глицеро-фосфатный челночный механизм (функционирует в клетках скелетных мышц и гепатоцитах печени).

2) малат-аспартатный челночный механизм (функционирует в клетках сердечных мышц)

Обе челночные системы существенно отличаются по количеству синтезируемого АТФ. В первой системе соотношение Р/О=2, т.к водород вводится в ЦПЭ на уровне КоQ. Вторая система энергетически более эффективна, т.к. передает водород в ЦПЭ через митохондриальный НАД и соотношение Р/О=3.

Стадия в анаэробного гликолиза отличается от аэробного тем, что НАДН₂ (восстановленный кофактор фермента глицерофосфатдегидрогеназы) окисляется не кислородом, а за счет переноса водорода ферментом лактатдегидрогеназой на пировиноградную кислоту с образованием лактата. Движущей силой анаэробного гликолиза является гликолитическая оксидоредукция. Гликолитическая оксидоредукция обеспечивает возможность продолжения гликолиза и образования энергии при недостаточном поступлении кислорода к органам и тканям по механизму только субстратного фосфорилирования. Значение реакции восстановления пирувата заключается не в образовании лактата, а в том, что данная реакция обеспечивает регенерацию НАД. Анаэробный распад глюкозы происходит в мышцах в первые минуты работы, в эритроцитах, в которых нет митохондрий, а также в различных органах при недостаточном снабжении их кислородом (гипоксия). При достаточном поступлении О₂ происходит подавление анаэробного гликолиза, концентрация лактата снижается, а окисление глюкозы переключается на более энергетически выгодный аэробный путь окисления.

Пируват, образовавшийся в аэробном гликолизе окисляется в общем пути катаболизма – в процессе окислительного декарбоксилирования, а полученный ацетил-КоА окисляется в цикле трикарбоновых кислот.

Баланс энергии окисления одной молекулы глюкозы.

Этапы аэробного распада глюкозы	Количество использованного АТФ	Количество синтезированного АТФ
I. Аэробный гликолиз Глюкоза→2пируват II. Окислительное декарбоксилирование пирувата 2 (пируват→Ацетил-КоА) III. ЦТК 2 (ацетил-КоА→СО2 +Н2О ) Суммарный выход АТФ при окислении 1моль глюкозы (переносчик второго типа	-2 -	+10 +6 +24 +38
Этапы анаэробного распада глюкозы	Количество использованного АТФ	Количество синтезированного АТФ
Гликолиз: стадия А Глюкоза→2фосфотриозы Гликолиз: стадия Б 2фосфотриозы →2 лактата Суммарный выход АТФ при окислении 1моль глюкозы	-2	+4 +2

Регуляция катаболизма глюкозы.

Значение гликолиза состоит в синтезе АТФ. Показателем потребления АТФ является накопление АДФ и АМФ. Отношение уровня АТФ к АМФ и АДФ характеризует энергетический статус клетки. Три реакции гликолиза катализируемые гексокиназой (или глюкокиназой), фосфофруктокиназой и пируваткиназой необратимы. Существенное значение для регуляции гликолиза имеет изменение активности фермента фосфофруктокиназы, т.к. этот фермент катализирует наиболее медленную реакцию гликолиза. Фосфофруктокиназа аллостерически активируется АМФ, но ингибируется АТФ. При высоком уровне АТФ снижается скорость ЦТК и ЦПЭ, в этих условиях процесс гликолиза замедляется. На скорость катаболизма глюкозы влияет скорость регенерации НАДН₂ в дыхательной цепи.