Архив WinRAR / 16-17-18-19 Углеводы

1

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.

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:

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.

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-