Звягина Учебное пособие

Рисунок 11. Классификация углеводов

Химические свойства моносахаридов.

1)Моносахариды могут окисляться до моно-, дикарбоновых и глюкуроновых кислот.

2)Способны восстанавливаться до спиртов.

3)Возможно образование сложных эфиров и гликозидов.

4)Для них характерно брожение: спиртовое, молочнокислое.

Дисахариды.

Сахароза – состоит из остатков глюкозы и фруктозы, соединенных β-1,2-гликозидной связью.

Лактоза - состоит из остатков глюкозы и галактозы, соединенных β-1,4-гликозидной связью.

Мальтоза - состоит из двух остатков глюкозы, соединенных α - 1,4-гликозидной связью.

Изомальтоза - состоит из двух остатков глюкозы, соединенных α - 1,6-гликозидной связью.

Полисахариды.

1) Гомополисахариды.

Крахмал – полимер глюкозы, состоящий из амилозы (15-20%), имеющий неразветвленную структуру, и амилопектина (80 -85%), образованного разветвленными цепями.

Гликоген – животный крахмал, состоящий из мономеров глюкозы, соединенной α - 1,4-гликозидными связями, а в местах ветвления - α -

81

1,6-гликозидными связями. В виде гликогена углеводы запасаются в организме.

Декстринами называют вещества, образующиеся при частичном гидролизе крахмала или гликогена.

Целлюлоза – главный компонент структурной основы растений, линейный полимер глюкозы, соединенных между собой β-1,4- гликозидными связями. Пищеварительная система человека не имеет ферментов, расщепляющих целлюлозу, но она необходима для нормального переваривания пищи.

2)Гетерополисахариды (мукополисахариды или гликозаминогликаны).

Гепарин – полимер, состоящий из остатков N-ацетилглюкозамина- 6 сульфата и глюкуронатсульфата. Гепарин участвует в антисвертывающей системе крови, активирует липопротеинлипазу.

Гиалуроновая кислота – полимер, состоящий из остатков глюкуроновой кислоты и N-ацетилглюкозамина. Гиалуроновая кислота входит в состав соединительной ткани и участвует в регуляции проницаемости тканей.

Хондроитин-4-сульфат и хондроитин-6-сульфат – полимеры, со-

стоящие из остатков глюкуроновой кислоты и N- ацетилгалактозамина. Входят в состав хрящевой ткани.

Биологическая роль и функции углеводов в организме человека.

1.Энергетическая (глюкоза, гликоген).

2.Структурная (хондроитинсульфаты, гиалуроновая кислота)

3.Защитная (синтез иммунных тел в ответ на антигены)

4.Гемостатическая (свертывание крови: факторы I,II,VIII,IX,X)

5.Антисвертывающая (гепарин)

6.Опорная (кости, хрящи, хондроитинсульфаты)

7.Осморегулирующая (глюкоза)

Гликолиз, химизм процесса. Энергетический баланс и биологическая функция гликолиза.

Гликолиз – это сложный ферментативный процесс последовательных превращений глюкозы, протекающий во всех клетках при использовании кислорода (аэробный гликолиз) или в его отсутствии (анаэробный гликолиз). Локализован в цитозоле клетки. Конечным продуктом аэробного гликолиза является пировиноградная кислота (ПВК), анаэробный гликолиз протекает до образования молочной кислоты (лактата).

82

Рисунок 12. Схема реакций гликолиза

1 – гексокиназа

2 – глюкозофосфатизомераза

3 – фосфофруктокиназа

4– фруктозо-1,6 –бисфосфатальдолаза

5– триозофосфатизомераза

6– глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа

7– фосфоглицераткиназа

8– фосфоглицерат-фосфомутаза

9– еноилгидратаза

10– пируваткиназа

83

Реакции № 6 являются реакцией гликолитической оксидоредук-

ции, т.е. в ходе окисления – восстановления образуется богатая энергией макроэргическая связь

Реакция №7 – это реакция субстратного фосфорилирования

Субстратное фосфорилирование – образование АТФ с использованием энергии, заключенной в макроэргической связи субстрата.

Реакция №10 – это реакция 2- го субстратного фосфорилирования. При аэробном гликолизе пируват поступает далее в пируватдегид-

рогеназный комплекс (ПДК), где образуются ацетил КоА, НАДН2 и СО2. Ацетил КоА идет далее в цикл Кребса, где образуется АТФ, 3 НАДН2 и ФАДН2, последние поступают в дыхательную цепь и в сопряжении с окислительным фосфорилированием синтезируются молекулы АТФ.

Реакция №11 характерна только для анаэробного гликолиза.

11. Восстановление пирувата до лактата.

Анаэробный распад глюкозы происходит в мышцах, в первые минуты мышечной работы, в эритроцитах (в которых отсутствуют митохондрии), а также в различных органах в условиях ограниченного снабжения их кислородом и является единственным источником энергии в данных условиях.

84

Энергетический баланс анаэробного гликолиза.

В ходе анаэробного гликолиза образуется 4-2=2 АТФ

Энергетический баланс аэробного гликолиза.

85

Аэробный распад глюкозы протекает во многих тканях и органах и служит основным, хотя и не единственным источником энергии для жизнедеятельности (в ходе него может образовываться 38 молекул АТФ).

Глюконеогенез, механизм, биологическое значение. Глюкозолактатный цикл (цикл Кори) и глюкозо-аланиновый цикл: физиологическое значение.

Глюконеогенез — синтез глюкозы из соединений неуглеводной природы. В организме взрослого человека за сутки может синтезироваться до 250 г глюкозы. Глюконеогенез осуществляется главным образом в печени (синтезируетя до 90 % всей глюкозы), в корковом веществе почек и в энтероцитах (совсем незначительно).

Глюконеогенез стимулируется при длительном голодании, при ограничении поступления углеводов с пищей, в период восстановления после мышечной нагрузки, у новорождённых в первые часы после рождения.

Субстраты глюконеогенеза. Истинными субстратами глюконео-

генеза являютя пируват, оксалоацетат, дигидроксиацетонфосфат,

которые непосредственно включаются в этот процесс. Все вещества неуглеводной природы, дающие эти метаболиты, являются субстратами глюконеогенеза: лактат → пируват (ПВК), метаболиты цикла Кребса → оксалоацетат, глицерин → дигидроксиацетонфосфат, гликогенные аминокислоты → ПВК. Главный источник субстратов глюконеогенеза — гликогенные аминокислоты. К гликогенным аминокислотам относятся все протеиногенные аминокислоты, кроме лейцина и лизина.

Глюконеогенез протекает, в основном, по тому же пути, что и гликолиз, но в обратном направлении. Для обхода трех ключевых необратимых реакций гликолиза используются четыре специфических фермента глюконеогенеза.

Ключевые ферменты и ключевые реакции глюконеогенеза:

1. Пируваткарбоксилаза

86

2. Фосфоенолпируваткарбоксилаза

3. Фруктозо-1,6-бисфосфатаза

Фруктозо-1,6-бисфосфат + Н2О Фруктозо-6-фосфат + ФН

4. Глюкозо-6-фосфатаза

Глюкозо-6-фосфат + Н2О Глюкоза + ФН

Биологическая роль глюконеогенеза:

1.Поддержание уровня глюкозы в крови. При длительном голодании (голодание более суток) глюконеогенез является единственным процессом, поставляющим глюкозу в кровь.

2.Обеспечивает утилизацию лактата. В анаэробных условиях глюкоза является единственным источником энергии для работы скелетной мышцы. Образовавшийся из глюкозы лактат, транспортируется затем с кровью в печень и превращается в гепатоцитах в глюкозу, которая затем возвращается в мышцу (цикл Кори или глюкозолак-

татный цикл).

Часть пирувата в мышцах путем трасаминирования превращается в аланин, который транспортируется в печень, и здесь снова образует пируват – глюкозо-аланиновый цикл.

3. Предотвращение лактатного ацидоза (опасное снижение рН крови), при этом лактат крови превращается в глюкозу.

Распад гликогена (гликогенолиз), характеристика процесса. Роль адреналина и глюкогона в регуляции мобилизации гликогена.

87

Распад гликогена или его мобилизация происходит в ответ на повышение потребности организма в глюкозе. В основном процесс протекает между приемами пищи, кроме того, распад гликогена в печени и мышцах ускоряется во время физической нагрузки.

Основной механизм гликогенолиза — фосфоролиз (расщепление-1,4-гликозидных связей с участием фосфорной кислоты и фермента - гликогенфосфорилазы). В результате фосфоролиза от гликогена последовательно отщепляются остатки глюкозы в виде глюкозо-1- фосфата, который под действием фосфоглюкомутазы превращается в глюкозо-6-фосфат (в мышцах), в печени глюкозо-6-фосфат под действием фосфатазы гидролизуется до свободной глюкозы. Разрыв 1,6 гликозидной связи в точках ветвления катализирует деветвящий фермент.

Гликогенфосфорилаза существует в 2-х формах:

1.фосфорилированная – активная

2.дефосфорилированная – неактивная.

Фосфорилирование стимулируется адреналином и глюкогоном, дефосфорилирование – инсулином, а первичным сигналом для синтеза и секреции гормонов является изменение уровня глюкозы в крови

(N 3,3 – 5,7 ммоль/л).

Синтез гликогена (гликогеногенез) и его регуляция. Гликогенозы и агликогенозы.

Гликоген синтезируется в период пищеварения (через 1-2ч после приема углеводной пищи). Этот процесс идет с затратой энергии. Более интенсивно гликогеногенез протекает в печени.

88

Глюкоза, поступающая в клетку, фосфорилируется при участии АТФ до глюкозо-6-фосфата, который далее превращается в глюкозо-1- фосфат под действием фермента фосфоглюкомутазы.

Синтез гликогена осуществляется путем удлинения уже имеющейся молекулы полисахарида, так называемой затравки или праймера. К затравке последовательно присоединяются молекулы глюкозы. Затравка может синтезироваться de novo с помощью специального белка – гликогенина. Образование -1,4-гликозидных связей катали-

зирует фермент гликогенсинтаза.

α-1,6 гликозидные связи гликогена образуются при участии ветвящего фермента, который переносит короткие фрагменты (по 5- 7 глюкозных остатков) с одного участка на другой.

(С6Н10О5)n+1

гликоген

Гл-6-Ф – глюкозо-6-фосфат Гл-1-Ф – глюкозо-1-фосфат УДФ – гл. – УДФ-глюкоза

Рисунок 14. Схема синтеза гликогена

Активность гликогенсинтазы также изменяется в результате фосфорилирования – дефосфорилирования. Однако есть различия в регуляции гликогенфосфорилазы и гликогенсинтазы. Фосфорилирование гликогенсинтазы переводит ее в неактивную форму. Дефосфорилирование, наоборот, активирует ее.

Гликогенозы – заболевания, вызванные дефектом ферментов, участвующих в распаде гликогена. Они проявляются необычной структурой гликогена или его избыточным накоплением в печени, сердечной или скелетных мышцах и других органах. В настоящее время гликогенозы делят по патогенетическому признаку на печеночные, мышечные и смешанные формы.

89

Печеночные гликогенозы. Самый частый гликогеноз I типа или болезнь фон Гирке обусловлен аутосомно-рецессивным дефектом глюкозо-6-фосфатазы. Из-за того, что этот фермент есть только в печени и почках, преимущественно страдают эти органы. У больных отмечается гипогликемия и, как следствие, кетонемия, метаболический ацидоз, кетонурия.

Гликогеноз III типа или болезнь Форбса-Кори или лимитдекстриноз – это аутосомно-рецессивный дефект амило-α1,6- глюкозидазы, «деветвящего» фермента, гидролизующего α1,6- гликозидную связь. Для больных характерна гепатомегалия, умеренная задержка физического развития, в подростковом возрасте возможна небольшая миопатия.

Еще два печеночных гликогеноза – гликогеноз IV типа (болезнь Андерсена), связанный с дефектом ветвящего фермента и гликогеноз VI типа (болезнь Херса), связанный с дефицитом печеночной фосфорилазы гликогена встречаются довольно редко.

Мышечные гликогенозы.

Для этой группы гликогенозов характерны изменения ферментов мышечной ткани. Это приводит к нарушению энергообеспечения мышц при физической нагрузке, к болям в мышцах, судорогам.

Гликогеноз V типа (болезнь Мак-Ардля) – отсутствие мышечной фосфорилазы. При тяжелой мышечной нагрузке возникают судороги, миоглобинурия, хотя легкая работа не вызывает каких-либо проблем.

Смешанные гликогенозы.

Эти заболевания касаются и печени, и мышц, и других органов. Гликогеноз II типа (болезнь Помпе) – поражаются все гликогенсо-

держащие клетки из-за отсутствия лизосомальной α-1,4-глюкозидазы, поэтому данная болезнь относится к лизосомным болезням накопления. Происходит накопление гликогена в лизосомах и в цитоплазме. Заболевание составляет почти 10% всех гликогенозов и является наиболее злокачественным. Больные умирают в грудном возрасте изза кардиомегалии и тяжелой сердечной недостаточности.

Агликогеноз – заболевание, возникающее в результате дефекта гликогенсинтазы. В печени и других тканях наблюдается очень низкое содержание гликогена, что сопровождается резкой гипогликемией.

Переключение анаэробного гликолиза на аэробный. Окисление внемитохондриального НАД·H2.

90