Биохимия._Углеводы

БИОХИМИЯ

Углеводы

ФУНКЦИИ УГЛЕВОДОВ

•Энергетическая – преимущество углеводов состоит в способности глюкозы окисляться как в аэробных, так и в анаэробных условиях;

•Защитно-механическая – основное вещество трущихся поверхностей суста-вов, в сосудах, слизистых;

•Опорная – целлюлоза в растениях, хондроитинсульфат в кости;

•Структурная – в соединительной ткани, оболочке бактериальных клеток;

•Гидроосмотическая и ионрегулирующая – мукополисахариды обладают высокой 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

С6

Производные моносахаридов

В природе существует огромное количество производных как перечисленных выше моносахаров, так и других. Уроновые

кислоты – дериваты гексоз, имеющие в 6 положении 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 антибиотиков (эритромицин. карбомицин) содержат в своем составе аминосахара.

Гликозиды – соединения, образующиеся путем конденсации моносахарида (свободного или в составе полисахари-да) с гидроксильной группой другого соединения, которым может быть любой моносахарид или вещество не углеводной

природы (агликон), например, метанол, глицерол, стерол, фе-нол. 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-

ростках злаков.

Лактоза – молочный сахар, содержится в молоке. В некоторых ситуациях (например. беременность) может появляться в моче.

Целлобиоза – промежуточный продукт гидролиза целлюлозы. Здоровая микрофлора 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 ами-лопектин (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 раз-ветвленной молекулой, содержащей α-1-4- и α-1-6-гликозидные связи, причем ветв-

ление происходит за счет присоединения небольших глюкозных цепочек к основной цепи посредством α-1-6-гликозидных связей. Каждая ветвь имеет длину 24-30 остатков глюкозы. веточки возникают примерно через 14-16 остатков глюкозы в цепочке.

Кроме строения, эти два полимера отличаются друг от друга по свойствам: вопервых. амилоза с йодом дает синее окрашивание, а амилопектин – красно-фиолетовое; 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 содержится в печени и мышцах, Структурно он схож с амилопектином, но во-первых, длина веточек меньше – 11-18 остатков глюкозы, во-вторых, более разветвлен – через каждые 8-10 остатков. За счет этих особенностей гликоген более компактно уложен, что немаловажно для животной клетки.

Целлюлоза является наиболее распространенным органическим соединением биосферы. Около половины всего углерода Земли находится в ее составе. В отличие 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 стальной 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 рас-тений – 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 местах ветвления – α-1-4-гликозидные связи, также встречаются α-1-2- и

α-1-3-гликозидные связи. В медицине декстраны используются как компонент кровезаменителей, например, в виде вязкого раствора 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 мож-но привести хондроитин-4-сульфат и хонд-роитин- 6-сульфат, гиалуроновую кислоту,

кератансульфат, дерматансульфат, гепарин. 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 нейраминовой кислоты. Они , наряду с аминосахарами, входят в состав гликопротеинов.

ГЛИКОЛИПИДЫ

Гликолипиды широко представлены в нервной ткани и мозге. Размещаются они на наружной поверхности плазматических мем-бран, при этом олигосахаридные цепи направлены 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.

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. Дисахариды не гидролизуются.

Желудок

Из-за низкой рН амилаза инактивируется, хотя некоторое время расщепление углеводов 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 ветвле-ния крахмала и гликогена.

Кроме полостного, имеется еще и пристеночное пищеварение, которое осуществляют:

•сахаразо-изомальтазный комплекс – в тощей кишке гидролизует α-1,2-, α-1,4-, α-1,6-гликозидные связи, расщепляет сахарозу, мальтозу мальтотриозу, изомальтозу;

•гликоамилазный комплекс – находится в нижних отделах тонкого кишечника и расщепляет α-1,4-гликозидные связи в олигосахаридах

•β-гликозидазный комплекс (лактаза) – гидролизует β-1,4-гликозидные свя-зи между галактозой и глюкозой (лактозу). У детей активность лактозы высока 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 изменяется в зависимости от рациона. А человек является единственным млеко-питающим

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 органичских кислот и газов. Из-за этого симптомами лактозной или сахаразной недостаточности 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 образование ферментов и их размещение на щеточной каемке энтероцитов. К тому же ухудшается всасывание моносахаров.

Диагностика. Дифференциальная диагностика нарушений переваривания и всасывания заключается в контроле уровня глюкозы крови после раздельного приема обследуемым дисахаридов и эквивалентного количества моносахаридов. Незначи-тельный 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 окис-ляется 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 всасыва-нию.

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 кишечника содержание натрия относительно высоко и он связывается со специфическим белком, имеющим два центра связывания: один для натрия,

другой для сахара. Приме-чательно то, что сахар связывается с белком только после того, как с ним свяжется натрий. Белок-траснпортер свободно мигрирует в толще мембраны. При контакте бел-

ка с цитоплазмой натрий быстро отделяется от него и сразу отделяется сахар. Результатом 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 выработки инсулина.

В мышцах и жировой ткани находится ГлюТ 4, только эти транспортеры явля-ются 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 мета-болизма используется в основном глюкоза. Этот процесс получил название взаимопревращение сахаров. Цель его – создание только одного субстрата для реакций

мебаболизма, а именно α-D-глюкозы, что позволяет сэкономить ресурсы, не образо-вывать множество ферментов для каждого вида сахара.

Превращение фруктозы

Реакции перехода фруктозы в глюкозу достаточно просты. Сначала происходит активация фруктозы посредством фосфорилирования 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 глюкозу 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 син-теза лактозы. необходимой для образования молока.

Нарушения превращения галактозы

Нарушения обмена галактозы вызваны генетическим дефектом 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 галактозы в крови возрастает до

11,1-16,6 моль/л (норма

0,3-0,5 ммоль/л), в крови также появляется галактозо-1-фосфат. К лабораторным критериям относятся также билирубинемия, галактозурия,

протеинурия, гипераминоацидурия, накопление гликозилированного гемоглобина. Дети отказываются от еды,

Патогенез. Избыток галактозы превращается в спирт галактитол (дульцитол), накапливающийся в хрусталике и осмотически привлекающий сюда воду. Изменятся соле-вой 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-

рилирование галактозы и дефицит энергии "токсически" действует на нейроны, гепатоциты, нефроциты, угнетает активность многих ферментов. Как результат возможны задержка психо-моторного развития , умственная отсталость, некроз гепатоцитов и цирроз печени. В почках и кишечнике избыток галактозы и ее метаболитов ингибирует транспорт аминокислот.

Лечение: исключение из рациона молока и других источников галактозы позво-ляет предотвратить развитие патологических симптомов. Однако сохранность интеллекта 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 глюкозы 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 молекулы 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 во-обще гликоген способен синтезироваться во всех тканях. Резервы гликогена в клетках 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-