16-17-18-19_Uglevody
.pdf1
УГЛЕВОДЫ
Углеводы являются наиболее распространенным классом органических соеди-
нений природы.
ФУНКЦИИ УГЛЕВОДОВ
•Энергетическая – преимущество углеводов состоит в способности глюкозы
окисляться как в аэробных, так и в анаэробных условиях;
•Защитно-механическая – основное вещество трущихся поверхностей суставов, в сосудах, слизистых;
•Опорная – целлюлоза в растениях, хондроитинсульфат в кости;
•Структурная – в соединительной ткани, оболочке бактериальных клеток;
•Гидроосмотическая и ионрегулирующая – мукополисахариды обладают вы-
сокой гидрофильностью, отрицательным зарядом и, таким образом, удер-
живают Н2О, Са2+, Mg2+, Na+, в межклеточном веществе и определяют тургор кожи, упругость тканей;
•Кофакторная – гепарин является кофактором липопротеинлипазы плазмы крови и ферментов свертывания крови (инактивирует тромбокиназу).
КЛАССИФИКАЦИЯ
МОНОСАХАРИДЫ
Моносахариды – это углеводы, которые не могут быть гидролизованы до более
простых форм. В свою очередь они подразделяются
1.в зависимости от числа содержащихся в их молекуле атомов углерода: триозы, тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы, октозы:
2.в зависимости от присутствия альдегидной или кетонной группы: кетозы и альдо-
зы.
Альдозы |
Кетозы |
С3
С4
С5
2
С6
Производные моносахаридов
В природе существует огромное количество производных
как перечисленных выше моносахаров, так и других. Уроновые кислоты – дериваты гексоз, имеющие в 6 по-
ложении карбоксильные группы, например, глюкуроновая, галактуроновая, идуроновая, аскорбиновая кислоты.
Аминосахара – производные моносахаров, содержащие
аминогруппы, например, глюкозамин или галактозамин. Эти производные обязательно входят в состав дисахаридных
компонентов протеогликановых полисахаридов. Ряд антибио-
тиков (эритромицин. карбомицин) содержат в своем составе аминосахара.
Гликозиды – соединения, образующиеся путем конден-
сации моносахарида (свободного или в составе полисахарида) с гидроксильной группой другого соединения, которым
может быть любой моносахарид или вещество не углеводной
природы (агликон), например, метанол, глицерол, стерол, фенол. Важное клиническое значение имеют входящие в состав
наперстянки сердечные гликозиды. В качестве агликона они
содержат стероиды. Известный антибиотик стрептомицин также является гликозидом.
ДИСАХАРИДЫ
Дисахариды – это углеводы, которые при гидролизе дают две одинаковые или
различные молекулы моносахарида.
Сахароза – пищевой сахар, в наибольшей мере содержится в сахарной свекле и
тростнике, моркови, ананасах, сорго.
Мальтоза – продукт гидролиза крахмала и гликогена, содержится в солоде, про-
3
ростках злаков.
Лактоза – молочный сахар, содержится в молоке. В некоторых ситуациях (на-
пример. беременность) может появляться в моче.
Целлобиоза – промежуточный продукт гидролиза целлюлозы. Здоровая микро-
флора кишечника способна гидролизовать до 3\4 поступающей сюда целлюлозы до
свободной глюкозы, которая либо потребляется самими микроорганизмами, либо всасывается в кровь.
ПОЛИСАХАРИДЫ
Выделяют гомополисахариды. состоящие из одинаковых остатков моносахаров (крахмал. гликоген. целлюлоза) и гетерополисахариды (гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты) включающие разные моносахара.
Крахмал – гомополимер α-D-глюкозы. Находится в злаках, бобовых, картофеле и некоторых других овощах. Синтезировать крахмал способны почти все растения.
Двумя основными компонентами крахмала являются амилоза (15-20%.) и амилопектин (80-85%). Амилоза представляет собой неразветвленную цепь с ММ от 5 до 500 тысяч Д в которой остатки глюкозы соединены исключительно α-1-4-гликозид- ными связями. Амилопектин имеет массу не менее 1 млн Д и является весьма разветвленной молекулой, содержащей α-1-4- и α-1-6-гликозидные связи, причем ветв-
4
ление происходит за счет присоединения небольших глюкозных цепочек к основной
цепи посредством α-1-6-гликозидных связей. Каждая ветвь имеет длину 24-30 остат-
ков глюкозы. веточки возникают примерно через 14-16 остатков глюкозы в цепочке.
Кроме строения, эти два полимера отличаются друг от друга по свойствам: во-первых. амилоза с йодом дает синее окрашивание, а амилопектин – краснофиолетовое; во-вторых, амилоза более легко растворима в воде, например,
при варке картофеля в бульон переходит амилоза, именно она придает воде опалесцирующий оттенок, в самом же картофеле остается амилопектин.
Гликоген – резервный полисахарид животных тканей, в наибольшей мере со-
держится в печени и мышцах, Структурно он схож с амилопектином, но во-первых, длина веточек меньше – 11-18 остатков глюкозы, во-вторых, более разветвлен – че-
рез каждые 8-10 остатков. За счет этих особенностей гликоген более компактно уло-
жен, что немаловажно для животной клетки.
Целлюлоза является наиболее распространенным органическим соединением
биосферы. Около половины всего углерода Земли находится в ее составе. В отли-
чие от предыдущих полисахаридов она является внеклеточной молекулой, имеет волокнистую структуру и абсолютно нерастворима в воде. Единственной связью в
ней является β-1-4-гликозидная связь.
Интересно, что прочность целлюлозных волокон превышает таковую сталь-
ной проволоки того же диаметра, это позволяет волокнам формировать
весьма прочную структуру разнообразных растений, из продуктов питания достаточно вспомнить такие овощи как морковь, капуста, редька, а из растений – любые деревья.
Инулин – полисахарид фруктозы. содержится в корнях георгинов, артишоков,
одуванчиков, Является легко растворимым соединением. В медицинской практике используется для определения очистительной способности почек – клиренса.
Декстраны – резервный полисахарид дрожжей и бактерий. Основным типом связи является α-1-6-гликозидная, а в мес-
тах ветвления – α-1-4-гликозидные связи, также встречаются α-1-2- и
α-1-3-гликозидные связи. В медицине декст-
раны используются как компонент кровезаменителей, например, в виде вязкого рас-
твора на 0,9% NaCl – реополиглюкина.
Гликозаминогликаны – полимерные молекулы, в которых в качестве мономеров
используются дисахаридные фрагменты, содержащие уроновые кислоты и аминопроизводные сахаров. В качестве примера можно привести хондроитин-4-сульфат и хонд- роитин-6-сульфат, гиалуроновую кислоту,
5
кератансульфат, дерматансульфат, гепа-
рин. Эти молекулы входят в состав проте-
огликанов – сложных белков, функцией которых являются заполнение межклеточно-
го пространства и удержание здесь воды,
также они выступают как смазочный и структурный компонент суставов и других
тканевых структур.
ГЛИКОПРОТЕИНЫ
Выделяют два подкласса белков, содержащих углеводы: протеогликаны и гликопротеины. Между эти подклассами имеются существенные отличия:
Гликопротеины |
Протеогликаны |
|
Доля углеводов 15-20% |
Доля углеводов 80-85% |
|
|
|
|
Не содержат уроновых кислот |
Имеются уроновые кислоты |
|
|
|
|
Углеводные цепи |
содержат не |
Углеводные цепи крайне велики |
более 15 звеньев |
|
|
|
|
|
Углевод имеет |
нерегулярное |
Углевод имеет регулярное |
строение |
|
строение |
Более подробно см тема "Сложные белки".
Сиаловые кислоты являются ацетилпроизводными ней-
раминовой кислоты. Они, наряду с аминосахарами, входят в состав гликопротеинов.
ГЛИКОЛИПИДЫ
Гликолипиды широко представлены в
нервной ткани и мозге. Размещаются они на
наружной поверхности плазматических мембран, при этом олигосахаридные цепи на-
правлены наружу. Большую часть гликолипи-
дов составляют гликосфинголипиды, включающие церамид (соединение аминоспирта
сфингозина с жирной кислотой) и один или
несколько остатков сахаров.
В нервной ткани главным гликолипидом является галактозилцерамид. В его состав входит длинноцепочечная жирная кислота.
Для других тканей более характерен глюкозилцерамид.
6
Еще одна группа гликолипидов, широко представленных в мозге, – ганглиозиды.
Они образуются из глюкозилцерамида и дополнительно содержат одну или несколь-
ко молекул сиаловой кислоты и моносахаров.
ВНЕШНИЙ ОБМЕН УГЛЕВОДОВ
Ротовая полость
Здесь находится кальций-содержащий фермент α-амилаза. Оптимум ее рН
7,1-7,2, активируется ионами Cl–. Она беспорядочно расщепляет внутренние
α-1-4-гликозидные связи и не влияет на другие типы связей.
В ротовой полости углеводы расщепляются до декстринов и мальтозы. Дисаха-
риды не гидролизуются.
Желудок
Из-за низкой рН амилаза инактивируется, хотя некоторое время расщепление уг-
леводов продолжается внутри пищевого комка.
Кишечник
В полости тонкого кишечника работают совместно панкреатическая α-амилаза,
разрывающая α-1-4-связи, и олиго-1-6-глюкозидаза, действующая на точки ветвления крахмала и гликогена.
Кроме полостного, имеется еще и пристеночное пищеварение, которое осуще-
ствляют:
•сахаразо-изомальтазный комплекс – в тощей кишке гидролизует α-1,2-,
α-1,4-, α-1,6-гликозидные связи, расщепляет сахарозу, мальтозу мальтот-
риозу, изомальтозу;
•гликоамилазный комплекс – находится в нижних отделах тонкого кишечни-
ка и расщепляет α-1,4-гликозидные связи в олигосахаридах
•β-гликозидазный комплекс (лактаза) – гидролизует β-1,4-гликозидные связи между галактозой и глюкозой (лактозу). У детей активность лактозы высо-
ка уже до рождения и сохраняется на высоком уровне до 5-7 лет, после чего
снижается.
Нарушения переваривания дисахаридов
Существуют две наиболее встречающиеся формы нарушения переваривания
дисахаридов – дефект лактазы и сахаразы При наследственной патологии лактазы симптомы проявляются после первых
кормлений; патология сахаразы обнаруживается позднее, при введении в рацион сладкого.
Недостаточность лактазы может проявляться не только у младенцев.
Дело в том, что лактаза – это адаптивный фермент, его активность изме-
няется в зависимости от рациона. А человек является единственным млекопитающим на Земле, которое потребляет молоко во взрослом состоянии. Примерно у 10-12% людей белой расы фермент перестает синтезироваться
уже в детском возрасте и возникает непереносимость молока. У народов Азии и Африки такая проблема есть у 80-95% населения.
Патогенез. Отсутствие гидролиза соответствующих дисахаридов приводит к осмотическому эффекту и задержке воды в просвете кишечника. Кроме этого, сахара активно потребляются микрофлорой и метаболизируют с образованием органиче-
7
ских кислот и газов. Из-за этого симптомами лактозной или сахаразной недостаточ-
ности являются диарея, рвота, метеоризм, вспучивание живота, его боли и спазмы.
Приобретенные формы недостаточности переваривания углеводов возникают в результате заболеваний стенок ЖКТ: энтериты, колиты, когда нарушается образо-
вание ферментов и их размещение на щеточной каемке энтероцитов. К тому же
ухудшается всасывание моносахаров.
Диагностика. Дифференциальная диагностика нарушений переваривания и вса-
сывания заключается в контроле уровня глюкозы крови после раздельного приема
обследуемым дисахаридов и эквивалентного количества моносахаридов. Незначительный подъем концентрации глюкозы в первом случае указывает на нехватку
ферментов, во втором – на нарушение всасывания.
Лечение. Исключение из рациона молока или продуктов с добавлением сахара в зависимости от типа непереносимого углевода.
Роль целлюлозы в пищеварении
Целлюлоза ферментами человека не переваривается. Но в толстом кишечнике
под действием микрофлоры до 75% ее количества гидролизуется с образованием
целлобиозы и глюкозы. Глюкоза частично используется самой микрофлорой и окисляется до органических кислот (масляной, молочной), частично может всасываться в
кровь. Однако основная роль целлюлозы для человека состоит в другом:
•стимулирует перистальтику кишечника,
•формирует каловые массы,
•стимулирует желчеотделение,
•абсорбирует холестерин и другие вещества, что препятствует их всасыванию.
ПЕРЕНОС ГЛЮКОЗЫ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНЫ
ВСАСЫВАНИЕ В КИШЕЧНИКЕ
Всасывание моносахаридов происходит по механизму вторичного активного транспорта. Это значит, что затрата энергии при переносе сахаров происходит, но тратится она не непосредственно на транспорт сахара, а на создание градиента
концентрации другого вещества. Используя этот градиент, сахар проникает внутрь
клетки. В случае глюкозы таким веществом является натрий.
Особый фермент – К+,Na+-АТФаза – постоянно, в обмен
на калий, выкачивает ионы натрия из клетки, именно этот транспорт тре-
бует затрат энергии. В просвете ки-
шечника содержание натрия относительно высоко и он связывается со
специфическим белком, имеющим
два центра связывания: один для натрия, другой для сахара. Примечательно то, что сахар связывается с белком только после того, как с ним свяжется натрий. Белоктраснпортер свободно мигрирует в толще мембраны. При контакте бел-
8
ка с цитоплазмой натрий быстро отделяется от него и сразу отделяется сахар. Ре-
зультатом является накопление сахара в клетке, а ионы натрия вновь выкачиваются
К+,Na+-АТФазой.
|
Скорость переноса моносахаров |
|
|
|
Относительная скорость |
Галактоза |
|
110% |
Глюкоза |
|
100% |
Фруктоза |
|
43% |
Манноза |
|
19% |
ТРАНСПОРТ ЧЕРЕЗ КЛЕТОЧНЫЕ МЕМБРАНЫ
Из крови в клетки глюкоза попадает при помощи облегченной диффузии – по
градиенту концентрации с участием белков-переносчиков (глюкозных транспортеров "ГлюТ"). Различают 5 видов транспортеров глюкозы ГлюТ 1, ГлюТ 2, ГлюТ 3, ГлюТ 4,
ГлюТ 5. Глюкозные транспортеры расположены на мембранах всех влеток.
Например, на поверхности β-клеток островков Лангерганса находится ГлюТ 2, благодаря ему генерируется сигнал для увеличения или снижения вы-
работки инсулина.
В мышцах и жировой ткани находится ГлюТ 4, только эти транспортеры являются чувствительными к влиянию инсулина – при действии инсулина на клетку они
поднимаются к поверхности мембраны и переносят глюкозу внутрь. Данные ткани
получили название инсулинзависимых.
РЕАКЦИИ ВЗАИМОПРЕВРАЩЕНИЯ САХАРОВ
Поскольку в кишечнике всасываются все моносахарид, поступающие с пищей, то
перед организмом встает задача превратить их в глюкозу, так как в реакциях метаболизма используется в основном глюкоза. Этот процесс получил название взаимо-
превращение сахаров. Цель его – создание только одного субстрата для реакций
мебаболизма, а именно α-D-глюкозы, что позволяет сэкономить ресурсы, не образовывать множество ферментов для каждого вида сахара.
9
Превращение фруктозы
Реакции перехода фруктозы в глюкозу достаточно просты. Сначала происходит активация фруктозы посредством фос-
форилирования 6-го атома углерода, затем изомеризация и,
наконец. отщепление уже ненужного фосфата.
Превращение галактозы
Галактоза, как и фруктоза, сначала подвергается фосфорилированию, хотя и по 1-му атому углерода. Еще одним
отличием от обмена фруктозы является изомеризация в глю-
козу не напрямую, а через синтез УДФ-галактозы, собственно, которая и превращается в глюкозу.
Физиологический смысл этого усложения видимо состоит
в использовании УДФ-галактозы в молочной железе для синтеза лактозы. необходимой для образования молока.
Нарушения превращения галактозы
Нарушения обмена галактозы вызваны генетическим де-
фектом нескольких ферментов:
•галактокиназы, частота дефекта 1:500000;
•галактозо-1-фосфат-уридил-трансферазы, частота дефекта 1:40000;
•эпимеразы, частота дефекта менее 1:1000000.
Заболевание, возникающее при этих нарушениях получи-
ло название галактоземия.
Диагностика. Концентрация га-
лактозы в крови возрастает до
11,1-16,6 моль/л (норма
0,3-0,5 ммоль/л), в крови также по-
является галактозо-1-фосфат. К лабораторным критериям относятся
также билирубинемия, галактозурия,
протеинурия, гипераминоацидурия, накопление гликозилированного ге-
моглобина. Дети отказываются от
еды,
Патогенез. Избыток галактозы
превращается в спирт галактитол (дульцитол), накапливающийся в
хрусталике и осмотически привле-
кающий сюда воду. Изменятся солевой состав и белки хрусталика, что
приводит к катаракте в молодом
возрасте. Катаракта возможна даже у плодов матерей с галактоземией,
употреблявших молоко во время беременности.
При дефекте галактозо-1- фосфат-уридил-трансферазы АТФ постоянно расходуется на фосфо-
10
рилирование галактозы и дефицит энергии "токсически" действует на нейроны, гепа-
тоциты, нефроциты, угнетает активность многих ферментов. Как результат возмож-
ны задержка психо-моторного развития, умственная отсталость, некроз гепатоцитов и цирроз печени. В почках и кишечнике избыток галактозы и ее метаболитов ингиби-
рует транспорт аминокислот.
Лечение: исключение из рациона молока и других источников галактозы позволяет предотвратить развитие патологических симптомов. Однако сохранность ин-
теллекта может быть достигнута только при ранней, не позднее первых 2 месяцев
жизни, диагностике и вовремя начатом лечении.
СУДЬБА ГЛЮКОЗЫ В КЛЕТКЕ
Попав в клетку, глюкоза сразу же фосфорилируется. Фосфорилирование глюко-
зы решает сразу несколько задач:
•фосфатный эфир глюкозы не в состоянии выйти из клетки, так как молекула
отрицательно заряжена и отталкивается от фосфолипидной поверхности
мембраны;
•наличие заряженной группы обеспечивает правильную ориентацию молеку-
лы в активном центре фермента;
•уменьшается концентрация свободной (нефосфорилированной) глюкозы, что способствует диффузии новых молекул из крови.
ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ ГЛЮКОЗЫ
Наибольшие запасы гликогена имеются в печени и скелетных мышцах, но вообще гликоген способен синтезироваться во всех тканях. Резервы гликогена в клет-
ках используются в зависимости от функциональных особенностей клеток. Гликоген печени расщепляется при снижении концентрации глюкозы в крови,
прежде всего между приемами пищи. Через 12-18 часов голодания запасы гликогена в печени полностью истощаются. В мышцах количество гликогена снижается обычно только после физической нагрузки – длительной и напряженной. Повышение содер-