Главными углеводами пищи являются гомополисахариды (крахмал, целлюлоза, иногда гликоген), дисахариды (лактоза, сахароза) и, в меньшей степени, моносахариды (глюкоза, фруктоза).

Углеводы пищи, содержащие α-(1→4)- и α-(1→6)-гликозидные связи (крахмал), перевариваются ферментами пищеварительного тракта. Углеводы с α-(1→4)-гликозидными связями (целлюлоза) ферментами человека не перевариваются, поскольку основным типом ферментов, переваривающих углеводы в ЖКТ, являются альфа-гликозидазы.

1. Расщепление крахмала и гликогена у человека начинается в ротовой полости, где содержатся ферменты α-амилаза и мальтаза.

• α-Амилаза (S амилаза) расщепляет в полисахаридах внутренние α-1→4-связи, т.е. является эндоамилазой. Фермент активен в нейтральной или слабощелочной среде и активируется ионами хлора.

• У высших растений имеется фермент β-амилаза, который отщепляет от крахмала дисахарид мальтозу и выполняет важную роль в мобилизации крахмала.

• γ-Амилаза клеток животных и человека отщепляет один за другим глюкозные остатки от конца полигликозидной цепочки. В зависимости от того, в какой области рН они проявляют максимальную активность, различают:

-кислые;

-нейтральные.

2. В желудке нет ферментов, расщепляющих углеводы. Действие α-амилазы слюны прекращается, так как желудочное содержимое имеет кислую реакцию. Переваривание углеводов происходит некоторое время в глубоких слоях пищевого комка под действием α-амилазы слюны.

3. В двенадцатиперстной кишке переваривание углеводов происходит под действием ферментов панкреатического сока: панкреатической α-амилазы (Р-амилаза), расщепляющей α-1→4-гликозидные связи в молекулах декстринов, и амило-1→6- и олиго-1→6-гликозидаз, расщепляющих α-1→6- гликозидные связи. При недостаточности этого фермента в кале находят зерна непереваренного крахмала.

4. В кишечном соке содержатся дисахаридазы, которые расщепляют дисахариды: мальтаза – мальтозу на 2 молекулы глюкозы, сахараза – сахарозу на глюкозу и фруктозу, лактаза – лактозу на глюкозу и галактозу, трегалаза – трегалозу – на 2 молекулы глюкозы, изомальтаза – изомальтозу (α-1→6-гликозидные связи) на 2 молекулы глюкозы. Эти ферменты осуществляют пристеночное пищеварение.

Растительная пища богата пищевыми волокнами (целлюлоза, гемицеллюлоза, пектины, легнины), которые не перевариваются ферментами желудочно-кишечного тракта. Некоторые из них (целлюлоза) перевариваются ферментами бактерий толстого кишечника человека и рубца жвачных: целлюлаза расщепляет целлюлозу до целлобиозы; целлобиаза расщепляет целлобиозу на две молекулы β-D-глюкозы. β-D-Глюкоза затем превращается в органические кислоты: молочную, пировиноградную и др. Пищевые волокна выполняют ряд важных функций в организме:

1) необходимы для нормальной перистальтики кишечника;

2)адсорбируют вещества, продуцируемые кишечными бактериями (например, токсины);

3) предупреждают развитие опухолевых процессов в кишечнике;

4)снижают всасывание холестерола из кишечника и способствуют выведению желчных кислот из организма.

В процессе переваривания углеводы пищи распадаются на моносахариды (преимущественно глюкоза, фруктоза и галактоза), которые всасываются кишечной стенкой и поступают в кровь.

Глюкоза составляет около 80% образовавшихся моносахаридов. Глюкоза и галактоза всасываются быстрее, чем другие моносахариды. Всасывание маннозы, ксилозы и арабинозы осуществляется преимущественно путем простой диффузии; глюкоза и галактоза всасываются путем вторичного активного транспорта, сопряженного с переносом Na+; фруктоза всасывается путем облегченной диффузии. Только в клетки печени и мозга транспорт глюкозы может осуществляться по механизмам пассивной диффузии и скорость поступления регулируется ее концентрацией в крови. Во всех других тканях транспорт глюкозы осуществляется по механизмам облегченной диффузии, который стимулируется инсулином.

Поступление глюкозы из крови в клетки у млекопитающих осуществляется с помощью специальных переносчиков глюкозы – GLUT1, GLUT2, GLUT3, GLUT4, GLUT5 (glucose transporter).

Переносчики глюкозы — семейство структурно близких мембранных белков с различными функциями.

• GLUT1 находятся в эритроцитах и почти во всех клетках. Этот переносчик обеспечивает поступление глюкозы в клетки с относительно постоянной скоростью.

• GLUT2 находится в печени, тонком кишечнике, почках, β-клетках поджелудочной железы, обеспечивает быстрый захват глюкозы печенью и стимулирует секрецию инсулина β-клетками поджелудочной железы.

• GLUT4 является переносчиком глюкозы, который стимулируется инсулином и обеспечивает захват глюкозы мышечной и жировой тканями.

• GLUT5 синтезируется клетками кишечного эпителия. Этот переносчик обеспечивает симпорт глюкозы с ионами Na+. GLUT5, находящийся в тонком кишечнике, выполняет функцию транспортера фруктозы.

1.2 Биохимия гликолиза

Гликолиз – последовательность реакций превращения глюкозы до пирувата. В процессе гликолиза часть свободной энергии распада глюкозы превращается в АТФ и НАДН.

Гликолиз – это анаэробный процесс, игравший ведущую роль в энергетическом обеспечении клеток до появления в атмосфере земли кислорода.

Суммарная реакция гликолиза:

Глюкоза + 2Рн + 2АДФ + 2НАД+ → 2пируват + 2АТФ + 2НАДН + 2Н+ + 2Н2О

Основные признаки гликолиза:

1. Протекает во всех клетках организма. Ферменты локализованы в цитозоле клеток.

2. В анаэробных условиях образующийся пируват превращается в лактат. В аэробных условиях пируват окисляется до ацетил-КоА, который затем вступает в ЦТК, где его ацетильная группа окисляется до СО2 и Н2О.

-В клетках, лишенных митохондрий (эритроциты, роговая оболочка глаза, хрусталик глаза) гликолиз является главным источником образования АТФ. -В клетках, имеющих митохондрии, гликолиз является этапом аэробного окисления углеводов.

3. Наиболее активно протекает в мозге, поскольку окисление глюкозы является основным источником энергии для нервной ткани.

4. В анаэробных условиях гликолиз – единственный процесс в организме животных, растений и многих микроорганизмов, приводящий к образованию АТФ.

5. Промежуточные продукты гликолиза используются для биосинтеза заменимых аминокислот и глицерола. Гликолиз как специфический путь катаболизма глюкозы включает 10 реакций и протекает в цитозоле одинаково в аэробных и анаэробных условиях.

Рисунок 1. – Последовательность реакций гликолиза

1. Фосфорилирование глюкозы осуществляется ферментами: неспецифической гексокиназой с низкой константой, и присутствующей преимущественно в печени специфической глюкокиназой. Активность глюкокиназы индуцируется глюкозой пищи. Реакция фосфорилирования глюкозы необратима.

2. Изомеризация Г-6-Ф во фруктозо-6-фосфат катализируется фосфогексоизомеразой. Реакция обратима. Изомеризуется только α-аномер Г-6-Ф. Это один из наиболее активных ферментов гликолиза.

3. Фосфорилирование Ф-6-Ф во Ф-1,6-БФ, фермент фосфофруктокиназа (ФФК-I). Реакция требует АТФ и Mg2+. Это самая медленная реакция специфического пути катаболизма глюкозы. Реакция необратима.

5. Изомеризация триозофосфатизомеразой. Равновесие сдвинуто в сторону ДАФ (95%) и 5% ГАФ. Однако в последующие реакции вступает только ГАФ.

6. Окисление ГАФ. Обе молекулы ГАФ дегидрируются с одновременным присоединением неорганического фосфата с помощью фермента глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы (ГАФ-ДГ) в 1,3- бисфосфоглицериновую кислоту.

7. Фермент фосфоглицераткиназа обеспечивает субстратное фосфорилирование АДФ с образованием АТФ.

8. Перенос фосфата в положение С2 катализируется фосфоглицератмутазой.

9. Енолизация. Фермент енолаза. Требует обязательного присутствия ионов Мg2+, Мn2+. Енолаза блокируется флюоридом. Это используется для сохранения глюкозы.

10. Фермент пируваткиназа обеспечивает субстратное фосфорилирование АДФ с образованием АТФ.

Таблица 1. – Изменения свободной энергии Гиббса в гликолизе при стандартных (Gº´) и реальных внутриклеточных (Gº) условиях (D.R. Appling, S.J. Anthony-Cahill, C.K. Mathews)

Регуляция гликолиза связана с балансом образования и использования энергии (АТФ).

1. Первый фермент гликолиза – гексокиназа ингибируется продуктом реакции (глюкозо-6-фосфат). Высокая внутриклеточная концентрация глюкозо-6-фосфата сигнализирует о том, что не требуется поступление глюкозы в клетку для получения энергии или запасания в виде гликогена. Для контроля уровня гликемии в печени имеется специальный изофермент гексокиназы – глюкокиназа.

2. Высокий уровень АТФ аллостерически ингибирует активность фосфофруктокиназы в печени (тетрамер с молекулярной массой 340 кДа), уменьшая его сродство к фруктозо-6-фосфату.

3. Гликолиз активируется при уменьшении энергетического заряда клетки. АМФ является своеобразной информацией о гипоэнергетическом состоянии. Однако этот регулятор требует специального контроля.

4. Снижение величины рН также ингибирует активность фосфофруктокиназы.

5. Фосфофруктокиназа ингибируется цитратом, первым метаболитом цикла трикарбоновых кислот.

6. В 1980 году был открыт новый регулятор активности фосфофруктокиназы

Метаболизм глюкозы в аэробных и анаэробных условиях

Аэробный распад глюкозы является основным путем катаболизма глюкозы у человека и включает следующие процессы:

1) распад глюкозы до пирувата;

2) перенос пирувата в митохондрии и окислительное декарбоксилирование с образованием ацетил-КоА;

3) окисление ацетильной группы ацетил-КоА в ЦТК и сопряженных цепях переноса электронов до СО2 и Н2О. На стадии окисления глицеральдегид-3-фосфата в 1,3- бисфосфоглицериновую кислоту образуется восстановленный цитозольный НАДН+Н+ . Перенос восстановительных эквивалентов от НАДН+Н+ в митохондрии происходит с помощью малатного челночного механизма,

Рисунок 2. – Малатный челночный механизм (часть малат-аспартатного челночного механизма)

Молекула восстановленного НАД не может проникать в митохондрии.

От цитозольного НАДН+Н+ восстановительные эквиваленты -> переносятся на цитозольный оксалоацетат-> в матрикс -> Малат окисляется в оксалоацетат -> матриксный НАД+ восстанавливается в НАДН+Н+ -> передает электроны в ЦПЭ внутренней мембраны митохондрий ->образуется 2,5 молекулы АТФ ->Оксалоацетат -> превращается в аспартат -> транспортируется переносчиком в цитозоль. Здесь аспартат дезаминируется, превращаясь в оксалоацетат -> челночный цикл замыкается.

Результатом этого цикла является окисление цитоплазматического НАДН митохондриальным НАД+.