Раздел:

Обмен углеводов

КОЛЛОКВИУМ

1. Строение, классификация, биологическая роль углеводов.

Углеводы – органические соединения, содержащие несколько гидроксильных групп и одну карбонильную

Классификация

• Моносохариды

• Дисахариды

• Полисахариды

Биологическая роль углеводов

• Энергетическая – окисление нейтральных моносахаридов

• Пластическая – структурно-функциональные компоненты клеток и тканей

2. Переваривание углеводов в желудочно-кишечном тракте. Пищеварительные ферменты: место синтеза, субстрат, гидролизуемые химические связи, продукты переваривания.

Ротовая полость, a-амилаза расщепляет a-1,4-гликозидные связи, образуя дисахариды и декстрины (полисахаридные фрагменты различной протяженности)

Желудок -----

Тонкий кишечник

a-амилаза (панкреатическая) расщепляет a-1,4-гликозидные связи, образуя дисахариды

сахаразо-изомальтазный комплекс расщепляет a-1,6-гликозидные связи

лактаза расщепляет лактозу(β-1,4-гликозидные связи)

В результате переваривания углеводов, образуются моносахариды

Углеводный обмен или метаболизм углеводов в организмах животных и человека. Метаболизм углеводов в организме человека состоит из следующих процессов:

1. Расщепление в пищеварительном тракте поступающих с пищей поли- и дисахаридов до моносахаридов, дальнейшее всасывание моносахаридов изкишечника в кровь.

2. Синтез и распад гликогена в тканях (гликогенез и гликогенолиз), прежде всего в печени.

3. Гликолиз — распад глюкозы. Первоначально под этим термином обозначали только анаэробное брожение, которое завершается образованием молочной кислоты (лактата) или этанола и углекислого газа. В настоящее время понятие «гликолиз» используется более широко для описания распада глюкозы, проходящего через образование глюкозо-6-фосфата, фруктозодифосфата и пирувата как в отсутствии, так и в присутствиикислорода. В последнем случае употребляется термин «аэробный гликолиз», в отличие от «анаэробного гликолиза», завершающегося образованием молочной кислоты или лактата.

4. Анаэробный путь прямого окисления глюкозы или, как его называют, пентозофосфатный путь (пентозный цикл).

5. Взаимопревращение гексоз

6. Анаэробный метаболизм пирувата. Этот процесс выходит за рамки углеводного обмена, однако может рассматриваться как завершающая его стадия: окисление продукта гликолиза — пирувата.

7. Глюконеогенез — образование углеводов из неуглеводных продуктов (пирувата, лактата, глицерина, аминокислот, липидов, белков и т. д.).

3. Механизмы всасывания продуктов переваривания углеводов в желудочно-кишечном тракте.

I путь – облегченная диффузия (по градиенту концентрации глюкозы)

II путь – вторично-активный транспорт (против градиента концентрации глюкозы)

4. Гликоген. Строение, биологическая роль. Синтез и распад гликогена, ключевые ферменты, регуляция процесса.

Важнейший резервный полисахарид, содержащийся в печени и мышцах, состоит из глюкозы, биологическая роль гликогена – энергетическая

Синтез гликогена

• После образования глюкозо-6-фосфата (гексокиназная реакция) происходит внутримолекулярный перенос остатка фосфорной кислоты из 6-го положения в 1-е При этом образуется глюкозо-1-фосфат

• Затем происходит дополнительная активация глюкозного фрагмента - УДФ-глюкоза

• УДФ-глюкозный остаток переносится на молекулу гликогена

• Таким образом, цепь гликогена становится на 1 глюкозный фрагмент длиннее

Регуляция синтеза гликогена

• Ключевым ферментом синтеза гликогена является гликогенсинтаза

• гликогенсинтаза активируется избытком глюкозо-6-фосфата и гормоном инсулином

• гликогенсинтаза ингибируется адреналином

Мышечные клетки используют при распаде гликогена глюкозу как энергетический субстрат

Клетки печени при распаде гликогена отдают глюкозу в кровь для клеток других органов и тканей.

Распад гликогена

• Голодание в течении 24 ч приводит практически к полному исчезновению гликогена в клетках печени, остаются только затравочные фрагменты

• При регулярном питании молекула гликогена может существовать неопределенно долго

• При отсутствии пищи молекулы гликогена уменьшаются за счет расщепления, а после очередного приема пищи размеры молекул восстанавливаются

• Аналогичные процессы происходят и в мышечной ткани, но здесь синтез и распад гликогена определяются режимом мышечной работы

Регуляция распада гликогена

• Ключевым ферментом распада гликогена является гликогенфосфорилаза

• Гликогенфосфорилаза активируется недостатком АТФ и гормоном адреналином

• Гликогенфосфорилаза ингибируется избытком АТФ и гормоном инсулином

5. Аэробный распад глюкозы. Биологическая роль, схема, конечные продукты, ключевые ферменты.

Аэробный гликолиз - процесс окисления глюкозы с образованием двух молекул пирувата;

Аэробным гликолизом называют процесс окисления глюкозы до пировиноградной кислоты, протекающий в присутствии кислорода. Все ферменты, катализирующие реакции этого процесса, локализованы в цитозоле клетки.

1. Этапы аэробного гликолиза

В аэробном гликолизе можно выделить 2 этапа.

1. Подготовительный этап, в ходе которого глюкоза фосфорилируется и расщепляется на две молекулы фосфотриоз. Эта серия реакций протекает с использованием 2 молекул АТФ.

2. Этап, сопряжённый с синтезом АТФ. В результате этой серии реакций фосфотриозы превращаются в пируват. Энергия, высвобождающаяся на этом этапе, используется для синтеза 10 моль АТФ.

2. Реакции аэробного гликолиза

• Превращение глюкозо-6-фосфата в 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата

• Превращение глицеральдегид-3-фосфата в пируват

6. Анаэробный распад глюкозы. Биологическая роль, схема, конечные продукты, ключевые ферменты. Эффект Пастера.

Анаэробным гликолизом называют процесс расщепления глюкозы с образованием в качестве конечного продукта лактата

• В условиях интенсивной мышечной работы, при гипоксии (например, интенсивный бег на 200м в течении 30 с) распад углеводов временно протекает в анаэробных условиях

• Молекулы НАДН не могут отдать свой водород, так как «не работают» дыхательная цепь в митохондриях

• Тогда в цитоплазме хорошим акцептором водорода является пируват - конечный продукт 1-го этапа

• Возникает сопряжение между двумя реакциями, которое называется гликолитической оксидоредукцией

• Реакции гликолитической оксидоредукции полностью обратимы

• В состоянии покоя, наступающего после интенсивной мышечной работы, в клетку начинает поступать кислород

• Это приводит к «запуску» дыхательной цепи

• В результате чего анаэробный гликолиз тормозится автоматически и переходит на аэробный, более энергетически выгодный

• Торможение анаэробного гликолиза поступившим в клетку кислородом называется ЭФФЕКТОМ ПАСТЕРА

7. Понятие о пентозофосфатном, глюкуронатном, полиольном процессах превращения глюкозы. Основные продукты процессов, преимущественная локализация, биологическое значение.

Пентозофосфатный путь

• По этому пути идет не более 25-30% глюкозы поступившей в клетки

• Протекает во всех клетках организма, наиболее интенсивно в печени, эритроцитах, надпочечниках, жировой ткани

• Протекает в цитоплазме, состоит из 2-х этапов: окислительного и неокислительного.

Пентозофосфа́тный путь (пентозный путь, гексозомонофосфатный шунт^[1], путь Варбурга — Диккенса — Хорекера^[2]) — альтернативный путь окисления глюкозы (наряду с гликолизом и путём Энтнера — Дудорова), включает в себя окислительный и неокислительный этапы.

Суммарное уравнение пентозофосфатного пути:

3 глюкозо-6-фосфат + 6 НАДФ⁺ → 3СО₂ + 6 (НАДФH + Н⁺) + 2 фруктозо-6-фосфат +глицеральдегид-3-фосфат^[3].

В дальнейшем глицеральдегид-3-фосфат превращается в пируват с образованием двух молекулАТФ^[2].

Пентозофосфатный путь распространён у растений и животных, а у большинства микроорганизмовимеет только вспомогательное значение^[2]. Ферменты пентозофосфатного пути располагаются вцитозоле и животных, и растительных клеток; кроме того, в клетках млекопитающих они располагаются также в эндоплазматическом ретикулуме, а у растений — в хлоропластах^[4].

Подобно гликолизу, пентозофосфатный путь, по-видимому, имеет очень древнюю эволюционнуюисторию. Возможно, в древних водах архея ещё до возникновения жизни происходили реакции пентозофосфатного цикла, катализируемые не ферментами, как в живых клетках, а ионамиметаллов, в частности, Fe^2+[5].

Биологическое значение неокислительного пути пфп:

• Совокупность большого количества обратимых реакций

• Каждая из них - это перенос 2-х или 3-х углеродного фрагмента с одного моносахарида на другой

• Реакции неокислительного этапа катализируются ферментами трансальдолазами и транскетолазами

• В состав кофермента транскетолаз входит витамин В1 (тиамин)

• В результате образуется глюкозо-6-фосфат, который может вступать в другие внутриклеточные пути метаболизма глюкозы

Глюкуронатный путь обмена углеводов сопровождается образованием гликозамингликанов, которые составляют основу артропатий при сахарном диабете.

Интенсивный синтез гликопротеидов способствует прогрессированию ангиопатий.

Гликозилирование белков сопровождается повышением содержания гликозилированного гемоглобина.

Перечисленные пути внеинсулинового усвоения глюкозы не обеспечивают основную функцию углеводов - энергетическую. В итоге развивается парадокс метаболизма - кровь насыщена глюкозой, а клетки испытывают энергетический голод. Активируются пути эндогенного образования глюкозы из гликогена и белка (глюконеогенез), однако и эта глюкоза клетками не усваивается из-за недостатка инсулина. Угнетается пентозо-фосфатный шунт и аэробный гликолиз, возникают стойкая гипергликемия, энергетическая недостаточность и гипоксия клеток. Увеличивается концентрация гликозилированного гемоглобина, который не является носителем кислорода, что усугубляет гипоксию.

Нарушение обмена белка. Снижается биосинтез энергетических белков-рибонуклеотидов, что приводит к уменьшению макроэргов в скелетных мышцах и миокарде, составляя компонент мышечной слабости. Уменьшается образование циклических нуклеотидов, которые являются посредниками внутриклеточных гормональных реакций. Подавляется биосинтез транспортной, рибосомальной и матричной РНК в печени, мышцах, почках, жировой ткани. Снижается биосинтез ДНК, в том числе в ядре клеток. Активизируется распад белка. В целом наблюдается нарушение обмена белка с преобладанием катаболических процессов.

Нарушение обмена липидов. Активизируется распад липидов и усиливаются процессы перекисного окисления, что сопровождается накоплением токсичных субстратов, повреждающих сосуды. Нарушается синтез липидов из пищевых компонентов. В связи с угнетением цикла Кребса в крови накапливаются промежуточные компоненты метаболизма - липидо-ацетоуксусная и -оксимасляная кислоты, способствующие развитию кетоацидоза.

Биологическая роль глюкуронатного пути:

• Глюкуроновая кислота входит в состав гликозаминогликанов

• Глюкуроновая кислота участвует в детоксикации экзогенных и эндогенных токсических веществ

Полиольный путь глюкозы:

Глюкоза => Сорбит => Фруктоза

Физиологическая роль полиольного пути:

• При нормальном уровне глюкозы крови через полиольный путь проходит всего 3% потребляемой глюкозы

• Фруктоза является источником энергии в семенных пузырьках

• Сорбит осуществляет баланс осмолярности в клетках почек в соответствии с осмолярностью мочи