БХ - 3 семестр / ()Лекции / ()Общие / Углеводы / Полисахариды

Полисахариды, потребляемые организмом в результате метаболизма, поступают частично с пищей (амилоза + амилопектин= крахмал), частично имеют эндогенное происхождение (гликоген). Суточная потребность организма в углеводах- 400-500 г. Источник- мучные изделия, крупы, злаки, фрукты и мед. На начальных этапах происходит расщепление полисахаридов до олиго- и моносахаридов под воздействием ряда ферментов (амилаза, мальтаза, изомальтаза и некоторые другие). Переваривание начинается в тонком кишечнике под воздействием фермента АМИЛАЗЫ поджелудочной железы:

крахмал (АМИЛОЗА) --> МАЛЬТОЗА -->ГЛЮКОЗА

В конечном итоге образуется глюкоза из всех вышеперечисленных полисахаридов. Образовавшаяся глюкоза претерпевает превращения по нескольким направлениям.

1) ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ ГЛЮКОЗЫ до Г-6-Ф:

Г-6-Ф непроходим через мембраны. Реакция катализируется ГЕКСОКИНАЗОЙ во всех клетках и ГЛЮКОКИНАЗОЙ в печени. Глюкокиназа не ингибируется Г-6-Ф и в печени накапливается значительное количество Г-6-Ф, предупреждая значительное повышение глюкозы в крови на пике пищеварения.

ПРЕВРАЩЕНИЯ Г-6-Ф

1) Под действием ФОСФАТАЗЫ обратное превращение в глюкозу и фосфат.

2) ФОСФОГЛЮКОМУТАЗА катализирует превращение Г-6-Ф в Г-1-Ф (промежуточный продукт синтеза ГЛИКОГЕНА):

При взаимодействии с УТФ глюкозо-1-фосфат образует УДФ-глюкозу, которая далее переносит остаток глюкозы на растущую цепь гликогена. Регенерация УТФ происходит в результате реакции УДФ с молекулой АТФ.

3) Г-6-Ф-ДЕГИДРОГЕНАЗА превращает Г-6-Ф в ГЛЮКОНОЛАКТОН:

который далее превращается по ПЕНТОЗОФОСФАТНОМУ ПУТИ.

4) Г-6-Ф изомеризуется во ФРУКТОЗО-6-ФОСФАТ и вовлекается в превращения вплоть до углекислого газа и воды (основной путь катаболизма).

ГЛИКОЛИЗ- АНАЭРОБНЫЙ РАСПАД ГЛЮКОЗЫ

Является ПЕРВЫМ ЭТАПОМ распада глюкозы. В процессе гликолиза молекула глюкозы распадается до двух молекул пировиноградной кислоты- пирувата. При этом образуется две молекулы восстановительного эквивалента- NADH, и две молекулы АТФ.

(Обратное превращение пирувата в глюкозу называется глюконеогенезом. Часть стадий глюконеогенеза совпадает со стадиями гликолиза. Это обратимые стадии для обоих процессов. Необратимые стадии гликолиза заменены в глюконеогенезе на превращения, катализируемые другими ферментами. Стадии гликолиза приведены в правом столбце таблицы, глюконеогена- в левом. В центральном столбце показаны интермедиаты превращений и обозначен номер стадии).

ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ				интермедиаты				ГЛИКОЛИЗ
Катализаторы стадий ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗа (обходные пути)				ГЛЮКОЗА				Катализаторы стадий гликолиза (в том числе общие с глюконеогенезом)
Г-6-фосфатаза (с высвобождением Фн)				1- необратимая (ингибитор- Г-6-Ф)				Глюкокиназа (печень) Гексокиназа (др.клетки) (с затратой АТФ)   (с высвобождением АДФ, Фн)
ГЛЮКОЗО-6-ФОСФАТ
				2				Г-6-Ф-изомераза
ФРУКТОЗО-6-ФОСФАТ
Фруктозо-1,6-бифосфатаза (с высвобождением Фн)				3-необратимая (активаторы- АМФ, Ф-2,6-ДФ, ингибиторы- АТФ, цитрат, Н+)				Фосфофрукто-1-киназа (с затратой АТФ)
ФРУКТОЗО-1,6-ДИФОСФАТ
				4				Альдолаза
2 х ГЛИЦЕРАЛЬДЕГИД-3-ФОСФАТ
(с затратой 2 NADH)				5				(с затратой 2NAD+, Фн) Г-3-Ф-дегидрогеназа (с высвобождением 2NADH)
2 х 1,3-ДИФОСФОГЛИЦЕРАТ
				6
2 х 2,3-ДИФОСФОГЛИЦЕРАТ
(с затратой 2АТФ)				7				Фосфоглицераткиназа (с высвобождением 2АТФ)
2 х 3-ФОСФОГЛИЦЕРАТ
				8				Фосфоглицератмутаза
2 х 2-ФОСФОГЛИЦЕРАТ
				9				Енолаза +Н2О
				2 х ФОСФОЕНОЛПИРУВАТ (ФЕП)
ФЕП-карбоксикиназа (с затратой 2АТФ), (с высвобождением 2СО2)			10б
ОКСАЛОАЦЕТАТ				10-Необратимая				Пируваткиназа (с высвобождением 2АТФ)
Пируваткарбоксилаза (с затратой 2АТФ, 2СО2)			10а
2х ПИРУВАТ (ПВК)
				11 (ответвление цепи)				Лактатдегидрогеназа (с затратой 2NADН) (с высвобождением 2NAD+)
затрачено 6 АТФ, 2 NADH				2 х ЛАКТАТ
				ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС				получено 2 АТФ, 2 NADH

№ стадии	Катализатор гликолитического пути	Активатор	Ингибитор стадии
1	глюкокиназа (печень), гексокиназа (мышцы)		Г-6-Ф (для гексокиназы)
2	фосфоглюкоизомераза
3	6-фосфофрукто-1-киназа	АМФ, фруктозо-2,6-дифосфат	АТФ, цитрат, Н+
4	Ф-1,6-ДФ-альдолаза
5	глицеральдегид-3-фосфат-дегидрогеназа
6	фосфоглицерат-мутаза
7	фосфоглицерат-киназа
8	фосфоглицерат-мутаза
9	енолаза
10	пируват-киназа	фруктозо-1,6-дифосфат	АТФ, аланин
11	лактатдегидрогеназа

Катализаторами стадий, эффекторами стадий превращений в гликолизе являются:

В анаэробных условиях молочная кислота конечный продукт, накапливается в мышцах, оттуда поступает в кровь. В печени и в самих мышцах 1/5 часть ее окисляется до СО2 и Н2О.

Гликолиз протекает в цитоплазме. Иницииаторы гликолиза- совершаемая клетками работа, соответственно, накапливание АМФ. Интенсивная мышечная деятельность усиливает гликолиз, накапливается значительное количество молочной кислоты, в результате чего возникает боль в мышцах. Гликолиз должен сопровождаться удалением восстановительных эквивалентов (NADH), которые одним из челночных механизмов переносят электроны внутрь митохондрий, где те используются в дыхательной цепи (сопряженном фосфорилировании).

Энергетическая эффективность ГЛИКОЛИЗА- 35%, в результате гликолиза образуется (нетто): 2 молекулы АТФ и 2 молекулы NADH, из которых в дыхательной цепи синтезируется 6 молекул АТФ (итого- 8 молекул АТФ). Биологическое значение- образование энергии в моменты максимальной потребности в ней и при кислородном голодании.

Регуляция гликолиза

Влияние ГЛЮКАГОНА. Глюкагон взаимодействует с рецепторами на клеточной мембране. Рецепторы глюкагона связаны с работой аденилатциклазы, которая в результате присоединения глюкагона к рецептору синтезирует медиаторы- 3,5-ц-АМФ. ц-АМФ активирует фермент протеинкиназу А, которая в свою очередь фосфорилирует бифункциональный фермент- 2,6-фруктозобифосфатазу/6-фосфофрукто-2-киназу. Фосфорилированный фермент утрачивает КИНАЗНУЮ активность (превращение фруктозо-6-фосфата во фруктозо-2,6-дифосфат), сохраняя при этом фосфатазную активность(превращение фруктозо-2,6-дифосфата во фруктозо-6-фосфат).

Фруктозо-2,6-дифосфат (Ф-2,6-ДФ) является активатором 6-фосфофрукто-1-киназы и ингибитором фруктозо-1,6-бифосфатазы, поэтому снижение его количества в результате воздействия глюкагона приводит к подавлению гликолиза и активации процесса глюконеогенеза. Такой механизм действия характерен только для клеток печени, где имеется одна из изоформ бифункциональной фосфатазы/киназы (белок из 470 аминокислотных остатков). В клетках сердечной мышцы имеется другая изоформа (530 АК), с ПРОТИВОПОЛОЖНЫМ влиянием глюкагона. Механизм ускорения инсулином процесса гликоза до конца не выяснен, имеется предположение, что в нем принимают участие некоторые, неизвестные пока посредники, активирующие протеинфосфатазу, результатом действия которой является ДЕФОСФОРИЛИРОВАНИЕ бифункциональной фосфофруктофосфатазы/киназы, что увеличивает ее киназную активность (см.выше) и снижает фосфатазную. Следствием является накопление фруктозо-2,6-дифосфата и ускорение гликолиза.

БРОЖЕНИЕ- еще одна разновидность АНАЭРОБНОГО расщепления глюкозы (нехарактерно для человеческого организма):

С6Н12О6  2СО2 + 2 С2Н5ОН

Другой путь- молочнокислое брожение:

С6Н12О6  2 СН3СН(ОН)СООН

ВТОРОЙ ЭТАП-окислительное декарбоксилирование с образованием ацетил-КоА:

СН3С(=О)СООН + КоА-SH + NAD+  СН3С(=О)-S-КоА + NADH + CO2 Окисление ацетил-КоА до СО₂ и Н₂О протекает на третьем этапе окисления глюкозы- в цикле трикарбоновых кислот.

Произошедшие в цитоплазме реакции гликолиза приводят к образованию пирувата (ПВК). Последующие превращения пирувата протекают во внутримитохондриальном пространстве- матриксе митохондрии. В матрикс молекулы ПВК приникают через внутреннюю митохондриальнубю мембрану в результате обмена с ионами гидроксила (НО^-). Уже в матриксе, при участии NAD-зависимой пируватдекарбоксилазы ПВК превращается в ацетил-КоА:

Образующийся NADH генерирует в дыхательной цепи 6 молекул АТФ (в пересчете на 1 молекулу глюкозы).

Ацетил-КоА вступает в цикл трикарбоновых кислот (ЦТК, цитратный цикл, цикл Кребса) при взаимодействии с молекулой оксалоацетата:

Реакция катализируется цитрат-синтазой. Другие реакции цикла и катализаторы:

Энергетический баланс окисления ацетил-КоА в ЦТК составляет 24 молекулы АТФ. Полное окисление глюкозы (гликолиз (8 АТФ)+ ЦТК (24 АТФ), включая окислительное декарбоксилирование пирувата в цетил-КоА (6 АТФ)), дает 38 молекул АТФ на молекулу глюкозы.

Реакции цикла превращений Ацетил-КоА впервые были установлены Гансом Кребсом (университет Шеффилда, Великобритания), за что в 1953 году он был удостоен Нобелевской премии.

Активность ЦТК повышается с ростом концентрации АДФ (аллостерический активатор изоцитрат-дегидрогеназы) и снижается с ростом АТФ. За один оборот в ЦТК молекула ПВК окисляется полностью в 3 Н₂О и СО₂.

ГЛИОКСИЛАТНЫЙ ЦИКЛ

Запас промежуточных продуктов ЦТК пополняется специальными ферментативными механизмами. Такова, в частности, функция глиоксилатного цикла. Глиоксилатный цикл (ГЦ)- видоизмененный ЦТК. В нем ферменты изоцитратдегидрогеназа и a-кетоглутаратдегидрогеназа заменены ферментами изоцитрат-лиазой и малат-синтазой. Первая расщепляет лимонную кислоту до янтарной и глиоксиловой (СООН-СН2-СН2-СООН и СООН-СНО). Малат-синтаза синтезирует из ацетил-КоА и глиоксиловой кислоты яблочную кислоту:

СН3-СО-S-КоА + Н2О + СООН-СНО ® СООН-СН(ОН)-СН2-СООН + КоА-SH

Таким образом, при каждом обороте цикла в него вкладывается 2 молекулы ацетил-КоА, образуется одна молекула янтарной кислоты, которая может вступать в процессы глюконеогенеза, ЦТК и др. процессы. Туда же могут идти яблочная и лимонная кислоты.

ФОСФОГЛЮКОНАТНЫЙ ПУТЬ

(пентозофосфатный цикл)

Кроме гликолиза в клетках существует еще один путь расщепления углеводов- фосфоглюконатный путь (ФГП). Посредством ФГП одна молекула глюкозы расщепляется на СО₂ и рибозо-5-фосфат. Превращения фосфоглюконатного пути многочисленны и сложны, однако суммарный результат его превращений описывается довольно простым уравнением:

6-Фосфоглюконолактон + Н2О + NADP⁺ ® Рибозо-5-Ф + СО₂ + NADPН + Н⁺

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ФУНКЦИЯ ФОСФОГЛЮКОНАТНОГО ПУТИ

1) АМФИБОЛИЧЕСКАЯ (распад углеводов и синтез NADPH и рибозо-5-фосфата)

2) ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ (подключение его продукта- глицеральдегид-3-фосфата к гликолизу дает выход энергии)

Полученные в различных метаболических циклах восстановительные эквиваленты (NADH, NADPH, FAD.H2) утилизируются в дыхательной цепи, где при их окислении синтезируется АТФ (сопряженное или окислительное фосфорилирование), либо используются в других метаболических путях при синтезе макромолекул.