Розділ 4. Обмін вуглеводів та його порушення

4.1. Функції вуглеводів та їх класифікація

Вуглеводи є складовою частиною всіх живих організмів. В органах і тканинах тварин загальна кількість вуглеводів становить у середньому 2 %. Значно більша кількість вуглеводів міститься в рослинах, де їх вміст може досягати 80 %.

Вуглеводи входять до складу багатьох сполук, які беруть участь у перетворенні речовин в організмі та в регуляції обмінних процесів. До таких надзвичайно важливих для життєдіяльності організму сполук можна віднести специфічні полісахариди, які визначають групи крові, регулюють імунітет, глюколіпіди (цереброзиди, гангліозиди), що входять до складу нервової тканини, складні комплекси білків і вуглеводів (глюкопротеїни). Вуглеводи безпосередньо або як складова частина складніших сполук, використовуються для побудови субклітинних структур, оболонок клітин та інших утворів, які виконують в організмі різні функції (опорну, захисну).

В організмі людини вуглеводи виконують такі функції: а) енергетичну - при їх окисненні вивільняється енергія, яка становить приблизно половину потреби в ній людини; б) інтегративну - з вуглеводів в організмі можуть синтезуватися сполуки інших класів, зокрема ліпіди і деякі амінокислоти; в) пластичну - входять у склад структурно-функціональних компонентів клітини, до них належать пентози; г) гідроосмотичну – гіалуронова кислота зв’язує міжклітинну воду і катіони, регулюючи міжклітинний осмотичний тиск; д) кофакторну - виконують роль кофакторів ферментів; е) опорну - хондроїтинсульфати в кістковій тканині; є) захисну; ж) регуляторну.

За будовою всі вуглеводи поділяють на три основні групи: моносахариди, олігосахариди та полісахариди (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Класифікація вуглеводів

Прості вуглеводи (моносахариди) не гідролізуються, тоді як складні (олігосахариди та полісахариди) при гідролізі розпадаються на моносахариди. Велика кількість вуглеводів бере участь у метаболічних процесах організму людини. Найпоширеніші з них представлені в таблиці 4.1.

Таблиця 4.1. Найрозповсюдженіші вуглеводи та їх властивості

Моносахариди

Г люкоза – один із найпоширеніших моносахаридів, міститься в усіх фруктах і ягодах, входить до складу полісахаридів – глікогену, крохмалю, целюлози, дисахаридів – мальтози, сахарози, лактози, целобіози. У кількості 3,3 – 5,5 ммоль/л знаходиться в крові людини, а у вигляді фосфорильованих сполук – у клітинах та тканинах.

Галактоза входить до складу молочного цукру (лактози), відрізняється від глюкози розміщенням у просторі гідроксигрупи і водню біля четвертого атома вуглецю.

D -фруктоза міститься у вільному стані у багатьох плодах і фруктах. Особливо багато фруктози в бджолиному меді. Її можна легко добути гідролізом звичайного цукру і полісахариду інуліну, який у великій кількості міститься в коренях багатьох рослин. Фруктоза за смаком солодша за інші моносахариди (в 2,5 рази солодша за глюкозу).

п ентози у вільному стані не зустрічаються. Рибоза входить до сладу нуклеотидів, нуклеїнових кислот, коферментів; D-арабіноза - до складу слизу, геміцелюлози, пектинових речовин рослин, її можна добути з вишневого клею або бурякового жому. Похідне рибози — спирт рибітол є складовою частиною деяких вітамінів і ферментів.

Олігосахариди

С ахароза (-D-глікозил-1,2--D-фруктозид), буряковий або тростинний цукор – найпоширеніший у природі дисахарид. Він є в стеблах, корінні, бульбах, плодах, листі рослин. Не володіє відновними властивостями.

Л актоза(β-D-галактозид-1,4-α-D-глюкоза) або молочний цукор міститься в молоці тварин і людини. При гідролізі лактози утворюється глюкоза і галактоза. Лактоза має відновні властивості.

Ц елобіоза (β-глікозид-1,4-глюкоза) утворюється при гідролізі полісахариду целюлози. Дисахарид містить залишки двох β-глюкоз і має структуру мальтозного типу. Володіє відновними властивостями.

М альтоза(-D-глікозид-1,4--D-глюкоза), або солодовий цукор, у вільному стані не зустрічається. Утворюється вона при ферментативному розщепленні глікогену або крохмалю. У великій кількості міститься в солоді, а також утворюється при проростанні зерен злаків. Має відновні властивості.

Гомополісахариди

К рохмаль –рослинний гомополісахарид, що складається з двох фракцій – амілози та амілопектину. А мілозавходить до складу крохмалю (до 20 %). Залишки молекул глюкози в молекулі амілози зв'язані між собою кисне­вими мостиками, що містяться між першим та четвертим вуглецевими атомами і утворюють 1,4-α-глікозидні зв'язки. добре розчиняється в теплій воді, не утворює клейстеру. амілопектин становить основну частину крохмалю (до 80 %), залишки глюкози зв'язані між собою -1,4 та -1,6-глікозидними зв’язками, що зумовлює розгалужену структуру. розчиняється в гарячій воді, утворює в'язкий розчин (крохмальний клейстер), який при охолодженні перетворюється на драглисту масу.

Глікоген – гомополісахарид тваринного походження, за хімічною будовою близький до амілопектину крохмалю, але його молекули більше розгалужені. Утворює внутрішньоклітинні гранули (здебільшого в печінці та скелетних м’язах), у яких резервується надлишок глюкози.

К літковина (або целюлоза) входить переважно до складу рослин. Молекула складається з великої кількості (до кількох тисяч) залишків β-D-глюкопіранози, зв'язаних 1,4-глікозидними зв'язками. У молекулі клітковини немає розгалужень; вона, як і амілоза, є лінійним полісахаридом.

Гетерополісахариди

Г іалуронова кислота — лінійний гетерополісахарид, у якому D-глюкуронова кислота та N-ацетил-D-глюкозамін сполучені між собою β-1,3-глікозидним зв’язком; окремі дисахаридні фрагменти об’єднані β-1,4-глікозидними зв’язками. У тканинах і рідинах утворює з білками комплекс. Гіалуронова кислота має найбільшу молекулярну масу з усіх глікозамінгліканів — 105-107 Да. Велика кількість СОО- груп формує значний негативний заряд молекули, сприяє утриманню води та катіонів натрію. Міститься в пухкій сполучній тканині, синовіальній рідині, шкірі, склоподібному тілі, пуповині новонароджених, хрящах, оболонці яйцеклітини. Вона служить своєрідним біологічним цементом, заповнює простір між клітинами. Розрив глікозидних зв’язків у ланцюгах гіалуронової кислоти викликає її деполімеризацію, в результаті чого фільтруюча система порушується, між клітинами проникають різні молекули, нагромаджується міжклітинна вода (розвиваються набряки).

Хондроїтинсульфати – глікозамінглікани у складі протеогліканів, важливі структурні компоненти шкіри, хрящової та кісткової тканин. Дисахаридні фрагменти складаються із глюкуронової кислоти та сульфатованого N-ацетилгалактозаміну, сполучених β-1,3-глікозидним зв’язком. Утворюють конгломерати з гіалуроновою кислотою.

К ератансульфати - глікозамінглікани, сульфатовані в 6-му положенні залишку N-ацетилглюкозаміну. Подібно до хондроїтинсульфатів, кератансульфати сполучені з білками у формі протеогліканів. Розрізняють кератансульфат І - глікозамінглікан рогівки ока та кератансульфат II - компонент кісткової тканини.

Дерматансульфат особливо характерний для дерми. Міститься в аорті, проявляє антикоагулянтні властивості.

Г епарин — глікозаміноглікан з антикоагулянтними властивостями, міститься в тканинах тварин і людини. Особливо багато його в печінці, легенях, серці, скелетних м'язах, у крові. Гепарин не входить до складу протеогліканів.

4.1.1. Глюкоза як важливий метаболіт вуглеводного обміну. Після всмоктування в кишці моносахариди поступають через ворітну вену переважно в печінку. Оскільки в складі основних вуглеводів їжі переважає глюкоза, її можна вважати основним продуктом травлення вуглеводів. Інші моносахариди можуть перетворюватися на глюкозу або продукти її метаболізму. Частина глюкози депонується в печінці у вигляді глікогену, а інша з током крові поступає в різні тканини та органи і використовується там. При нормальному раціоні концентрація глюкози в крові підтримується на рівні 3,3 – 5,5 ммоль/л, а в період травлення може підвищуватися до 8 ммоль/л.

У подальших перетвореннях в клітинах глюкоза та інші моносахариди беруть участь лише у вигляді фосфорних ефірів. Фосфорилування – обов’язкова реакція на шляху їх використання, вона призводить до утворення більш реакційно спроможних сполук, тому її розглядають як реакцію активування, тому глюкоза в клітинах зразу ж фосфорилується з використанням АТФ:

Цю реакцію в багатьох тканинах каталізує фермент гексокіназа, а в печінці та підшлунковій залозі – глюкокіназа. Властивості цих ферментів вказані в таблиці 4.2.

Таблиця. 4.2. Властивості гексокінази і глюкокінази

Ознаки	Гексокіназа	Глюкокіназа
Розподіл в організмі	Більшість тканин	Тільки печінка
Субстратна cпецифічність	D-глюкоза й інші D-гексози (фруктоза, маноза)	Тільки D-глюкоза
Константа Міхаеліса (Км) для глюкози	Низька (близько 10-5 моль/л)	Висока (10-2 моль/л)
Максимальна швидкість реакції	Низька	Висока
Гальмування активності продуктом реакції - глюкозо-6-фосфатом	Так	Ні

Завдяки властивостям глюкокінази печінка затримує більшу частину глюкози під час травлення й абсорбції, не допускаючи значного зростання рівня глюкози в крові. Гормон підшлункової залози інсулін підвищує активність та індукує синтез глюкокінази.

Утворення глюкозо-6-фосфату в клітині – процес практично незворотний, він перебігає з використанням значної кількості енергії і виступає своєрідною «пасткою» для глюкози. оскільки мембрана клітин непроникна для фосфорильованої глюкози. крім того, фосфоритування зменшує концентрацію вільної глюкози в цитоплазмі. Це створює сприятливі умови для полегшеної дифузії глюкози в клітини з крові.

Перетворення глюкозо-6-фосфату на глюкозу може відбуватися в печінці, нирках і клітинах епітелію кишки. Тут присутній фермент глюкозо-6-фосфатаза, який каталізує відщеплення фосфатної групи гідролітичним шляхом:

Глюкозо-6-фосфат + Н₂О  Глюкоза + Н₃РО₄

Утворена вільна глюкоза може дифундувати з цих органів у кров. В інших органах і тканинах глюкозо-6-фосфатаза відсутня, тому дефосфорилування глюкозо-6-фосфату не відбувається. Прикладом незворотного проникнення глюкози в клітину можуть бути м’язи, де глюкозо-6-фосфат може використовуватися лише в метаболізмі цих клітин.

Глюкозо-6-фосфат може використовуватися в різних перетвореннях, основними з яких є синтез глікогену, катаболізм з утворенням СО₂ та Н₂О чи лактату, синтез пентоз. Розпад глюкози до кінцевих продуктів слугує джерелом енергії для організму. Разом з тим у процесі метаболізму глюкозо-6-фосфату утворюються проміжні продукти, які в подальшому для синтезу амінокислот, нуклеотидів, гліцерину та жирних кислот. Таким чином, глюкозо-6-фосфат – не лише субстрат для окиснення, а й будівельний матеріал для синтезу нових сполук.

Основне фізіологічне значення катаболізму глюкози полягає в використанні енергії, яка вивільняється в цьому процесі для синтезу АТФ. Деякі тканини перебувають у великій залежності від катаболізму глюкози як джерела енергії. Наприклад, клітини головного мозку впродовж доби використовують до 100 г глюкози, окислюючи її аеробним шляхом. За умов нормального клітинного дихання аеробне окиснення є переважаючим для більшості тканин тваринних організмів і найефективнішим з точки зору енергетичної цінності.

А

Рис. 4.2. шляхи використання глюкози

наеробний розпад глюкози відбувається в м’язах у перші хвилини м’язової роботи, в еритроцитах (у яких відсутні мітохондрії), а також у різних органах за умов їх обмеженого постачання киснем, у тому числі, у клітинах пухлин.

Крім енергетичної функції, процес катаболізму глюкози може виконувати анаболічні функції, оскільки метаболіти гліколізу можуть використовуватися для синтезу нових сполук (рис. 4.2). Так, фруктозо-6-фосфат і гліцеральдегід-3-фосфат беруть участь в утворенні рибозо-5-фосфату – структурного компонента нуклеотидів, 2-фосфогліцерат може включатися в синтез амінокислот, таких як серин, гліцин, цистеїн. У печінці ацетил-КоА, який утворюється з пірувату, використовується як субстрат при біосинтезі жирних кислот, холестерину, а діоксіацетонфосфат – як субстрат для синтезу гліцерил-3-фосфату.

Отже, обмін вуглеводів, ключовою фігурою якого є глюкоза, в організмі людини складається з наступних етапів:

1. Гідролізу в травному тракті полісахаридів, що поступають у складі їжі, до моносахаридів із подальшим їх всмоктуванням у кров.

2. Синтезу та розпаду глікогену в тканинах, перш за все, у печінці.

3. Гліколізу – розпаду глюкози до молочної кислоти (в анаеробних умовах) чи піровиноградної кислоти (в аеробних умовах).

4. Аеробного окиснення пірувату.

5. Аеробного окиснення глюкози в пентозофосфатному шляху з утворенням пентоз і відновленої форми НАДФ⁺.

6. Взаємоперетворення пентоз.

7. Гліконеогенезу – утворення глюкози з неневуглеводних продуктів.