Содержание
-
Углеводы: структура и функции.
-
УГЛЕВОДЫ– класс гетерофункциональных органических соединений, объединенных общей формулой (СН2О)n. Углеводы входят в состав всех клеток и тканей растительного и животного происхождения в собственном виде, в соединениях с липидами и белками. Впервые термин «углеводы» был предложен профессором Дерптского (ныне Тартуского) университета К.Г. Шмидтом в 1844 г.
-
Химия углеводов занимает одно из ведущих мест в истории развития органической химии. Тростниковый сахар можно считать первым органическим соединением, выделенным в химически чистом виде. Химическая структура простейших углеводов была выяснена в конце XIX в. в результате фундаментальных исследований Э. Фишера. Значительный вклад в изучение углеводов внесли отечественные ученые А.А. Колли, П.П. Шорыгин, Н.К. Кочетков и др. В 20-е годы нынешнего столетия работами английского исследователя У. Хеуорса были заложены основы структурной химии полисахаридов. Со второй половины XX в. происходит стремительное развитие химии и биохимии углеводов, обусловленное их важным биологическим значением
-
Функции углеводов в организме: 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 – являются компонентами биологических молекул- гликопротеинов, протеогликанов, гликолипидов, нуклеотидов, участвующих в образовании цитоскелета, внеклеточного матрикса (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, удерживают Н2О, Са2+, Mg2+, Na+, в межклеточном веществе и определяют тургор кожи, упругость тканей; Кофакторная – гепарин является кофакторомлипопротеинлипазыплазмы крови и ферментов свертывания крови (инактивирует тромбокиназу). Также углеводы поставляют атомы углерода для синтеза других соединений, в частности липидов и заменимых аминокислот.
-
КЛАССИФИКАЦИЯ Все углеводы по способности к гидролизу подразделяют на три большие группы: моносахариды(и их производные) – не подвергающиеся гидролизу и олигосахариды и полисахариды, подвергающиеся гидролизу Моносахариды – содержат от 3 до 9 С-атомов, Олигосахариды –содержат от 2 до 10 моносахаридных остатков Полисахариды - содержат более 10 моносахаридных остатков. Их подразделяют на: -гомополисахариды (состоят из одинаковых моносахаридных остатков) -гетерополисахариды(состоят из разных моносахаридных остатков)
-
КЛАССИФИКАЦИЯ
Мономерные формы делят на две основные группы: кетозы и альдозы. В кетозахкетогруппа расположена в любой части молекулы кроме ее концов, а в альдозах занимает концевое положение, что наглядно демонстрируют структуры фруктозы (кетоза) и глюкозы (альдоза). Рис. 1. D-Фруктоза (1), D-Глюкоза (2)
-
Моносахариды – углеводы, которые не могут быть расщеплены до более простых форм (глюкоза, фруктоза). В зависимости от числа содержащихся в их молекуле атомов углерода: триозы(3С), тетрозы(4С), пентозы(5С), гексозы(6С), гептозы (7С) и т.д. В живых организмах более распространены пентозы и гексозы. В основу наименований моносахаридов положены тривиальные названия, которые имеют окончания –оза; глюкоза, рибоза. Для обозначения кетоз используют окончания-улоза. Моносахариды хорошо растворимы в воде и имеют сладкий вкус.
-
Моносахариды
Простейшие представители моносахаридов– триозы: глицеральдегид и диоксиацетон. При окислении первичной спиртовой группы трехатомного спирта – глицерола– образуется глицеральдегид (альдоза), а окисление вторичной спиртовой группы приводит к образованию диоксиацетона (кетоза).
-
Моносахариды содержат несколько хиральных центров- асимметрических атомов углерода. К числу которых относятся атомы, соединенные с четырьмя различными заместителями. Наличие хиральных центров определяет существование большого количества стереоизомеров. Стереоизомеры, которые относятся друг к другу, как предмет к его зеркальному изображению. Называют энантиоизомерами. Принадлежность D-и L- стереохимическому ряду определяется путем сравнения конфигураций последнего асимметрического атома углерода и оптического эталона D- глицеринового альдегида.D-стереоизомер вращает плоскость поляризованного света вправо, а L-форма влево. В организме человека и животных используется D изомеры, которые встречаются, в основном, в циклической форме.
-
Моносахариды могут поступать в организм в свободной форме с пищей или образовываться из полисахаридов в процессе их ферментативного гидролиза в желудочно-кишечном тракте или клетках. В крови они присутствуют в свободном виде, а в клетках преимущественно содержатся фосфорилированные формы.
-
Фосфорилирование углеводов, осуществляемое с участием АТФ как донора фосфатной группы, повышает их энергетический потенциал и делает возможным их дальнейшее превращение. С другой стороны, остатки фосфата превращают углевод в ион, что препятствует их обратной диффузии из клеток в интерстиций. Рис. Основные гексозы организма человека
-
При окислении альдегидных групп альдоз образуется карбоксильная группа, а при их восстановлении — спиртовая группа. Через окисление глюкозы в организме образуется глюкуроновая кислота, а через восстановление — многоатомные спирты (сорбитол, инозитол). При замещении гидроксильной группы на аминогруппу образуются аминосахара, которые входят в состав олигосахаридного компонента гликопротеидов и ганглиозидов. В ряде случаев аминогруппа ацилирована остатком ацетата. Рис. Глюкозамин (1), N-ацетилглюкозамин (2)
-
В организме моносахариды используются как клеточное топливо или как источник углеродных атомов для различных синтезов. Основной моносахарид человека и животных — глюкоза. Норма в крови составляет – 3,3 - 6,1 ммоль/л. Постоянство концентрации поддерживается нейрогуморально. Избыток глюкозы крови удаляется за счет вклю-чения ее в энергетический обмен или в разные синтезы (гликогенез, синтез жирных кислот и т.д.). При снижении концентрации глюкозы в крови усиливается ее высвобождение из гликогена (гликогенолиз), хранящегося в гепатоцитах, или синтеза из продуктов различных обменов (глюконеогенез), протекающего как в печени, так и в корковом веществе почки.
-
-
оЛИГосахариды
Олигосахариды – это углеводы, которые построены из остатков моносахаридов соединенных гликозидными связями. Каждый моносахаридный остаток в олигосахаридах может находится в альфа- или бетта-форме, в виде фуранозного или пиранозного цикла и соединяется с любой гидроксильной группой соседнего остатка.
-
Дисахариды
Сахароза — дисахарид, построенный из остатка глюкозы который связан , -1,2 гликозидной связью с молекулой фруктозы. Этот дисахарид поступает в организм с продуктами растительного происхождения или в рафинированном виде (свекловичный или тростниковый сахар), используется организмом после гидролиза в тонком кишечнике ферментом сахаразой до моносахаридов. Рис. Сахароза
-
Мальтоза, образуется в ротовой полости или в тонком кишечнике при воздействии, -амилазы слюны или панкреатической -амилазы на крахмал или гликоген. Состоит из двух остатков глюкозы, связанных между собой -1,4 гликозидной связью. Может быть использована организмом после гидролиза в тонком кишечнике до двух остатков глюкозы с участием фермента мальтазы. Рис. Мальтоза
-
Лактоза – дисахарид, состоящий из остатков глюкозы и галактозы, связанных между собой Рис. Лактоза В основном, лактоза поступает в организм человека с молоком, гидролизуетсялактазой тонкого кишечника. В отличие от вышеназванных дисахаридов, может синтезироваться у человека и других млекопитающих в секреторных клетках молочных желез в период лактации.
-
-
полисахариды
Полисахариды – углеводы, которые при гидролизе дают более шести молекул моносахаридов (крахмал, гликоген, клетчатка). В полисахаридах остатки моносахаридов связаны между собой гликозиднымисвязями. Линейные полисахариды имеют по одному восстанавливающему и невосстанавливающемуся концу. В разветвленных полисахаридах имеется только один восстанавливающий конец и много невосстанавливающихся. Восстанавливающий конец содержит свободный полуацетальный гидроксил, и именно к нему могут присоединятся молекулы не углеродной природы-пептиды, белки и липиды.
-
Все полисахариды выполняют две важные биологические функции: структурную и резервную. Структурные делят на группы: полисахариды, образующие волокнистые структуры (в клеточных стенках бактериальных и растительных клеток образуют протяжные цепи и укладываются в плотные волокна или пластины).Особенность этой группы –наличие -гликозидной связи. Примеры- целлюлозы хитин и др. Гелеобразующие – к ним относятся полисахариды с разнообразными гликозидными связями. Эта группа обеспечивает эластичность клеточных стенок и межклеточную адгезию в тканях. Примеры- различные гликозаминопротеогликаны. Резервные полисахариды являются для клетки источником энергии и метаболитов. Это крахмал и гликоген. Быстрой мобилизации резервных полисахаридов способствует наличие в них лабильных - гликозидных связей.
-
гомополисахариды
В зависимости от состава все полисахариды делят на две большие группы: гомополисахариды и гетерополисахариды . Гомополисахариды- построены из идентичных моносахаридов.
-
полисахариды
Крахмал-резервный полисахарид растений, представлен двумя фракциями- амилозой и амилопектином. Рис. Участок молекулы крахмала (амилопектин)
-
На долю -амилозы в крахмале приходится около 15-20 %, а амилопектина — 80‑85%. В амилозе остатки глюкозы связаны -1,4-гликозидной связью, а в амилопектине в линейных участках -1,4-гликозидная связь, а в точках ветвления — -1,6‑гликозидной связью. В организм человека данное соединение поступает вместе с пищей растительного происхождения и является главным источником экзогенной глюкозы. Крахмал утилизируется в организме после гидролиза гликозидазами желудочно-кишечного тракта до глюкозы.
-
Целлюлозаявляетсянаиболеераспространенныморганическимсоединениембиосферы.ОколополовинывсегоуглеродаЗемлинаходитсявеесоставе.Вотличиеотпредыдущихполисахаридовонаявляетсявнеклеточноймолекулой,имеетволокнистуюструктуруиабсолютнонерастворимавводе.Единственнойсвязьювнейявляется β-1-4-гликозиднаясвязь.
-
Гликоген — резервный полисахарид некоторых животных клеток. По структуре гликоген близок к амилопектину, но в отличие от последнего имеет более разветвленную структуру (в 2 раза) и более высокую молекулярную массу — до 100 млн. дальтон. В организме человека этот сахар активно синтезируется в печени и мышцах в процессе гликогенеза, менее активно в других органах. Запасы гликогена печени, в основном, расходуются для поддержания нормального уровня глюкозы крови, а в мышцах как энергетическое топливо для поддержания мышечного сокращения и других клеточных нужд. Человек получает гликоген с пищей животного происхождения. Гидролиз гликогена в желудочно-кишечном тракте осуществляется с участием тех же ферментов, что и для крахмала.
-
В грибах и некоторых растениях встречается инулин – полимер фруктозы. Организмом человека этот углевод не усваивается из-за отсутствия ферментов участвующих в его. 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 крове- заменителей, например, в виде вязкого рас- твора на 0,9% NaCl – реополиглюкина.
-
Гетерополисахариды
Гетерополисахариды, в отличие от гомополисахаридов, в качестве повторяющейся единицы содержат димер. В димере моносахариды связаны (1,3)-гликозидной связью, а димеры между собой (1,4)-гликозидной связью. К этим углеводам относят: гиалуроновую кислоту, хондроитинсульфаты, гепарин, гепарансульфат, дерматансульфат, кератансульфат. Димергиалуроновой кислоты содержит глюкуроновую кислоту, связанную с N‑ацетилглюкозамином.
-
-
При физиологических значениях pH карбоксильная группа уроновых кислот и остаток серной кислоты хондроитинсульфатов находятся в диссоциированной форме (заряжены отрицательно). Следовательно, обозначенные выше углеводы являются полианионами и легко вступают во взаимодействие с катионами (натрия, калия, магния, кальция и др.) и водой. В водных растворах эти соединения сильно гидратированы и образуют гели. Полианионная природа гетерополисахаридов делает возможным их участие в водно-электролитном обмене между кровью и внеклеточным веществом с одной стороны и между клетками и внеклеточным веществом с другой стороны. Одна из основных функций гепарина — антисвертывающая (антикоагулянт). Гепарин синтезируется тучными клетками, а другие гетерополисахариды, в основном, фибробластами.
-
Переваривание и всасывание углеводов.
В составе пищевого рациона человека значительную долю занимают углеводы, поступающие главным образом, с продуктами растительного происхождения (картофель, крупы, хлеб, овощи, фрукты и продукты, полученные из них). В меньшем количестве углеводы содержатся в продуктах животного происхождения (молоко, мясо, печень, рыба). От растений человек получает крахмал, сахарозу, целлюлозу, гемицеллюлозу, инулин, целлобиозу, глюкозу, фруктозу и другие углеводы. С продуктами животного происхождения поступают лактоза, гликоген, глюкоза, олигосахариды гликопротеинов и гликолипидов. Некоторые растительные углеводы (целлюлоза, гемицеллюлоза, инулин, целлобиоза) не усваиваются организмом в связи с отсутствием ферментов участвующих в их деградации в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ).
-
Переваривание в полости рта
Пищеварение углеводов в ЖКТ заключается в последовательном гидролизе олиго- и полисахаридов различной длины (декстринов )с участием различных гликозидаз (ферментов класса гидролаз).
-
Пищеварение углеводов в ЖКТ заключается в последовательном гидролизе олиго- и полисахаридов до моносахаридов с участием различных гликозидаз (ферментов класса гидролаз). Гидролиз крахмала и гликогена начинается в ротовой полости, с участием -амилазы слюны. Фермент расщепляет -1,4-гликозидные связи в линейных участках этих полисахаридов. В результате образуются дисахарид мальтоза и декстрины.
-
Известны 3 вида амилаз, которые различаются главным образом по конечным продуктам их ферментативного действия: α-амилаза, β-амилаза и γ-амилаза. α-амилаза расщепляет в полисахаридах внутренние α-1,4-связи, поэтому ее иногда называют эндоамилазой. Молекула α- амилазы содержит в своих активных ионах иона Ca2+, необходимые для ферментативной активности. Кроме того, характерной особенностью α-амилазы животного происхождения является способность активироваться одновалентными анионами, прежде всего ионами хлора.
-
Под действием β-амилазы от крахмала отщепляется дисахарид мальтоза, т.е. β-амилаза является экзоамилазой. Она обнаружена у высших растений, где выполняет важную роль в мобилизации резервного (запасного) крахмала.
-
γ-амилаза отщепляет один за другим глюкозные остатки от конца полигликозидной цепочки. Различают кислые и нейтральные γ-амилазы в зависимости от того, в какой области рН они проявляют максимальную активность. В органах и тканях человека и млекопитающих кислая γ-амилаза локализирована в лизосомах, а нейтральная – в микросомах. Амилаза слюны является α-амилазой. Под влиянием этого фермента происходят первые фазы распада крахмала (или гликогена) с образованием декстринов (в небольшом количестве образуется и мальтоза). Затем пища, смешанная со слюной, попадает в желудок.
-
Желудочный сок не содержит ферментов, расщепляющих сложные углеводы. В желудке действие α-амилазы слюны прекращается, так как желудочное содержимое имеет резко кислую реакцию (рН 1,5 – 2,5). Однако в более глубоких слоях пищевого комка, куда не сразу проникает желудочный сок, действие амилазы некоторое время продолжается и происходит расщепление полисахаридов с образованием декстринов и мальтозы. Наиболее важная фаза распада крахмала (и гликогена) протекает в двенадцатиперстной кишке под действием α-амилазы поджелудочного сока.
-
Гидролиз углеводов в тонком кишечнике.
Основным местом расщепления углеводов является тонкая кишка, где они гидролизуются-амилазы поджелудочной железы и содержащимися на поверхности энтероцитов кишечника различными дисахаридазами. Слюнная и панкреатическая -амилаза расщепляет только -1,4-гликозидные, но не расщепляет -1,6-гликозидных связей в точках ветвления.
-
Гидролиз дисахаридов в кишечнике
Образующиеся в процессе расщепления полисахаридов мальтоза и изомальтоза, а также поступившие с пищей лактоза и сахароза гидролизируьтся специфическими дисаридазами кишечника. Эти ферменты синтезируются в энтероцитах в виде белковых комплексов, которые пронизывают цитоплазматическую мембрану клеток и выступают в просвет кишечника. Сахаразо-изомальтазный комплекс гидролизует изомальтозу, мальтозу и мальтотриозу до остатков глюкозы, а сахарозу до глюкозы и фруктозы. Совокупное действие перечисленных ферментов приводит к образованию моносахаридов, которые сначала транспортируются в энтероциты, а далее в кровь.
-
Общая схема гидролиза углеводов
Общая схема гидролиза углеводов полисахаридов мальтоза и изомальтоза, а также поступившие с пищей лактоза и сахароза гидролизируется специфическими дисаридазами кишечника. Эти ферменты синтезируются в энтероцитах в виде белковых комплексов, которые пронизывают цитоплазматическую мембрану клеток и выступают в просвет кишечника. Сахаразо-изомальтазный комплекс гидролизует изомальтозу, мальтозу и мальтотриозу до остатков глюкозы, а сахарозу до глюкозы и фруктозы. Совокупное действие перечисленных ферментов приводит к образованию моносахаридов, которые сначала транспортируются в энтероциты, а далее в кровь.
-
Переваривание и всасывание углеводов.
Глюкоза и галактоза поступают в энтероциты, главным образом, за счет симпорта с ионом натрия, с участием белкового переносчика. Транспорт вторично активный, так как для выведения натрия из клетки затрачивается АТФ (на работу Na+/K+ - АТФ-азы).
-
ПЕРЕНОС ГЛЮКОЗЫ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНЫ
Концентрация глюкозы в плазме крови составляет 3,3-5,5ммоль/л, а в цитоплазме животных клеток содержание свободной глюкозы значительно меньше. Именно потому поступление глюкозы из крови в клетку происходит за счет облегченной диффузии при участии специальных белков переносчиков ГЛЮТ. При высоких концентрациях глюкозы и галактозы в просвете кишечника, они могут поступать в клетки за счет облегченной диффузии. Большей частью галактоза и фруктоза в энтероцитах трансформируются в глюкозу. Всосавшиеся моносариды через воротную вену поступают в печень, где избыток сахаров превращается в гликоген или нейтральные жиры. Это препятствует развитию ярко выраженной пищевой гипергликемии.
-
Переваривание и всасывание.ТРАНСПОРТ ЧЕРЕЗ КЛЕТОЧНЫЕ МЕМБРАНЫ
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 b-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 являются чувствительными к влиянию инсулина – при действии инсулина на клетку они поднимаются к поверхности мембраны и переносят глюкозу внутрь. Данные ткани получили название инсулинзависимых.
-
Переваривание и всасывание углеводов.ПЕРЕНОС ГЛЮКОЗЫ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНЫ.
Тажесасываниемоносахаридов 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 требует 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. Примечательно то, что сахар связывается с белком только после того, как с ним свяжется натрий. Белок- траснпортер свободно мигрирует в толще мембраны. При контакте белка 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.
-
Переваривание и всасывание
Наиболее часто встречающимся дефектом пищеварения углеводов у человека является снижение выработки лактазы. В этом случае непереваренная лактоза поступает в толстый кишечник, препятствуя в нем реабсорбции воды из просвета кишечника, что выражается диареей. Кроме того, дисахарид включается в метаболизм микрофлоры кишечника, что приводит к газообразованию (СО2, Н2). Нарушения пищеварения и всасывания углеводов могут иметь место в случае наследуемых мутаций в генах определяющих структуру того или иного фермента или переносчика, однако такие нарушения встречаются гораздо реже. Нарушения пищеварения и всасывания моносахаридов имеют место при поражениях слизистой тонкого кишечника (энтериты, колиты).
-
РЕАКЦИИ ВЗАИМОПРЕВРАЩЕНИЯ САХАРОВ
Поскольку в кишечнике всасываются все моносахариды, 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 взаимопревращение сахаров. Цель его – создание только одного субстрата для реакций метаболизма, а именно a-D-глюкозы, что позволяет сэкономить ресурсы, не образовывать множество ферментов для каждого вида сахара
-
СУДЬБА ГЛЮКОЗЫ В КЛЕТКЕ
Попаввклетку,глюкозасразужефосфорилируется. Фосфорилированиеглюкозы решаетсразу несколько задач: фосфатныйэфирглюкозыневсостояниивыйтиизклетки,таккакмолекула отрицательнозаряженаиотталкиваетсяотфосфолипиднойповерхностимембраны; наличиезаряженнойгруппыобеспечиваетправильнуюориентациюмолекулы в активномцентрефермента; уменьшается концентрация свободной(нефосфорилированной)глюкозы,что способствуетдиффузииновыхмолекулизкрови.
-
-
СУДЬБА ГЛЮКОЗЫ В КЛЕТКЕ
-
ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ ГЛЮКОЗЫ
Наибольшие запасы гликогена имеются в печени и скелетных мышцах, но вообще 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.В печени гликоген накапливается после еды.
-
Такие отличия печени и мышц обусловлены наличием различных изоферментов гексокиназы, фермента, который фосфорилирует глюкозу в глюкозо- 6-фосфат. Для печени характерен изо- фермент, получивший собственное название – глюкокиназа. Он отличается от других гексокиназ низким сродством к глюкозе, что ведет к захвату глюкозы печенью только при ее высокой концентрации в крови (после еды); Благодаря этим отличиям гепатоцит может эффективно захватывать глюкозу после еды и метаболизировать ее в любом направлении. Например, при переполнении запасов гликогена накапливающийся глюкозо-6- фосфат не подавляет глюкокиназу и усвоение глюкозы, а просто идет на окисление до ацетил-S-КоА и в пентозофосфатный цикл, что в целом увеличивает синтез липидов. Регуляция глюкокиназы: активация – андрогены и инсулин, подавление – глюкокортикоидыи эстрогены.
-
Полное окисление ГЛЮКОЗЫ
Катаболизм глюкозы до СО2 и Н2О Основным направлением использования глюкозы в организме является её окисление до конечных продуктов (СО2 и Н2О) с целью извлечения энергии для последующего использования в эндэргонических процессах. В эритроцитах глюкоза единственный источник энергетического топлива, а в головном мозге основной источник. Другие органы и ткани менее зависимы от глюкозы и могут при её недостатке окислять другие соединения. Полное окисление глюкозы включает: аэробный гликолиз, окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты или её карбоксилирование, цикл Кребса, цепь переноса электронов. Рассмотрим эти процессы в предложенной последовательности.
-
Гликолиз Втканях(втомчислевпечени)распадглюкозыпроисходитдвумяосновнымипутями: анаэробным(приотсутствиикислорода)иаэробным,дляосуществлениякоторого необходимкислород. Гликолиз осуществляется во всех клетках, но в зависимости от типа клеток может иметь свои особенности. В мышечных клетках этот процесс может осуществляться как по аэробному, так и по анаэробному пути (при гипоксии). В клетках нервной ткани используется только аэробный гликолиз, а в эритроцитах только анаэробный. В эритроцитах, в отличие от других клеток, в качестве промежуточного продукта образуется 2,3 дифосфоглицерат, который выполняет специфическую функцию — снижение сродства гемоглобина к кислороду.
-
Гликолиз (аэробный до ПВК, анаэробный до лактата)
-
Полное окисление ГЛЮКОЗЫ
Анаэробныйгликолиз–сложныйферментативныйпроцессраспадаглюкозы,протекающийвтканяхчеловекаиживотныхбезпотреблениякислорода.Конечнымпродуктомгликолизаявляетсямолочнаякислота.ВпроцессегликолизаобразуетсяАТФ. Суммарноеуравнениегликолизаможнопредставитьследующим образом: С6Н12О6 +2АДФ+2ФН–>2СН3СН(ОН)СООН +2АТФ+2Н2О. Глюкоза Молочнаякислота В анаэробных условиях гликолиз– единственный процесс в животном организме, поставляющий энергию.
-
Анаэробныйгликолиз выполняет энергетическую функцию. При анаэробном гликолизе в двух реакциях субстратного фосфорилирования образуется АТФ, который может быть единственным источником энергии для клетки. Энергетический выход анаэробного гликолиза — 2 АТФ. Эволюционно, анаэробный гликолиз предшествовал аэробному варианту. Ряд микроорганизмов использует его как основной путь запасания энергии (облигатные анаэробы), другие используют оба варианта гликолиза. В организме человека чисто анаэробный гликолиз испольуюттолько эритроциты.
-
Аэробныйгликолиз Последовательность реакций аэробного гликолиза хорошо изучена. Процесс гликолиза катализируется одиннадцатью ферментами и протекает в гиалоплазме (цитозоле) клетки. В аэробных условиях гликолиз необходим как подготовительный этап для более полного извлечения энергии, заключенной в химических связях углеводов и трансформации их в химическую энергию АТФ через окислительное фосфорилирование.
-
Аэробныйгликолиз Первойферментативнойреакциейгликолизаявляетсяфосфорилирование,т.е.переносостаткаортофосфатанаглюкозузасчетАТФ.Реакциякатализируетсяферментомгексокиназой. Однако, в печени и поджелудочной железе эта реакция катализируется как гексокиназой (при низких концентрациях глюкозы), так и глюкокиназой (при высоких концентрациях глюкозы). Глюкоза Глюкозо-6-фосфат
-
Аэробныйгликолиз Второйреакциейгликолизаявляетсяпревращениеглюкозо-6-фосфатаподдействиемферментаглюкозо-6-фосфат-изомеразывофруктозо-6фосфат: Эта реакция протекает легко в обоих направлениях, и для нее не требуется каких-либо кофакторов.
-
Аэробныйгликолиз Третьяреакциякатализируетсяферментомфосфофруктокиназой;образовавшийсяфруктозо-6-фосфатвновьфосфорилируетсязасчетвтороймолекулыАТФ: Фруктозо-6-фосфат Фруктозо-1,6-бисфосфат Данная реакция аналогично гексокиназной практически необратима, протекает в присутствии ионов магния и является наиболее медленно текущей реакцией гликолиза. Фактически эта реакция определяет скорость гликолиза в целом.
-
Аэробныйгликолиз Четвертуюреакциюгликолизакатализируетферментальдолаза.Подвлияниемэтогоферментафруктозо-1,6-бисфосфатрасщепляетсянадвефосфотриозы: Диоксиацетон-фосфат Глицеральдеид-3-фосфат Эта реакция обратима. В зависимости от температуры равновесие устанавливается на различном уровне. При повышении температуры реакция сдвигается в сторону большего образования триозофосфатов
-
Аэробныйгликолиз Пятая реакция – это реакция изомеризации триозофосфатов. Ката- лизируется ферментом триозофосфатизомеразой: Диоксиацетон- фосфат Глицеральдегид- 3-фосфат Равновесие реакции сдвинуто в сторону дигид- роксиацетонфосфата: 95% дигидроксиацетонфосфата и около 5% глицеральдегид-3-фосфата. В последующие реакции гликолиза может включаться только глицеральдегид-3-фосфат. Образованием глицеральдегид-3-фосфата как бы завершается первая стадия гликолиза.
-
Аэробныйгликолиз В результате шестой реакции и глицеральдегид-3-фосфат в присутствии фермента глицеральдегидфосфатдегидрогеназы, кофермента НАД и неорганического фосфата подвергается своеобразному окислению с образованием 1,3-бисфосфоглицериновой кислоты и восстановленной формы НАД (НАДН). Эта реакция блокируется йод- или бромацетатом, протекает в несколько этапов
-
Аэробныйгликолиз Седьмая реакция катализируется фосфоглицераткиназой, при этом происходит передача богатого энергией фосфатного остатка (фосфатной группы в положении 1) на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфогли- цериновой кислоты (3-фосфоглицерат). Восьмаяреакциясопровождаетсявнутримолекулярнымпереносомоставшейсяфосфатной группы,и3-фосфоглицериноваякислотапревращаетсяв 2-фосфоглицериновуюкислоту(2-фосфоглицерат). Реакция легкообратима, протекает в присутствии ионов Mg2+ . Кофактором фермента является также 2,3-бисфосфоглицериновая кислота аналогично тому, как в фосфоглюкомутазной реакции роль кофактора вы- полняетглюкозо-1,6-бисфосфат.
-
Аэробныйгликолиз Девятая реакция катализируется ферментом енолазой, при этом 2-фосфоглицериновая кислота в результате отщепления молекулы воды переходит в фосфоенолпировиноградную кислоту (фосфоенолпируват), а фосфатная связь в положении 2 становится высокоэргической. Енолаза активируется двухвалентными катионами Mg2+ или Мn2+ и ингибируется фторидом. Десятая реакция характеризуется разрывом высокоэргической связи и переносом фосфатного остатка от фосфоенолпирувата на АДФ (субстрат- ноефосфорилирование). Катализируется ферментом пируваткиназой. Для действия пируваткиназы необходимы ионы Mg2+, а также одновалентные катионы щелочных металлов (К+ или др.). Внутри клетки реакция является практически необратимой.
-
Аэробныйгликолиз В результате одиннадцатой реакции происходит восстановление пировиноградной кислоты и образуется молочная кислота. Реакция протекает при участии фермента лактатдегидрогеназы и кофермента НАДН, образовавшегося в шестой реакции:
-
Важно, что пировиноградная кислота является для клетки токсичным веществом, и клетке необходимо избавиться от нее каким угодно образом. Так как через мембраны она не проходит, то обезвреживание достигается превращением пирувата 1) в лактат; 2) в ацетил-S-КоА; 3) валанин, 4) в оксалоацетат. Иллюстрацией к сказанному служит отличие изоферментов лактатдегидрогеназ (ЛДГ) друг от друга. Сердечный изофермент ЛДГ-1 обладает высоким сродством к молочной кислоте и "стремится" поднять концентрацию пирувата с целью его включения в ЦТК и получения энергии для деятельности миокарда. Большое количество митохондрий и поступление сюда лактата из других органов обеспечивает работу сердца при аэробных условиях. При нехватке кислорода свойства ЛДГ-1 не изменятся, он по-прежнему будет сдвигать реакцию в сторону продукции пировиноградной кислоты. Изофермент скелетной мышцы ЛДГ-5 обладает высоким сродством к пирувату, при отсутствии кислорода в клетке быстро и эффективно превращает его в лактат, легко проникающий сквозь мембраны. Таким образом, в анаэробных условиях сильнее будет страдать сердечная мышца, что и наблюдается в медицинской практике.
-
Биологическое значение процесса гликолиза заключается прежде всего в образовании богатых энергией фосфорных соединений. На первых стадиях гликолиза затрачиваются 2 молекулы АТФ (гексокиназная и фосфофрук- токиназная реакции). На последующих образуются 4 молекулы АТФ (фосфоглицераткиназная и пируваткиназная реакции). Таким образом, энергетическая эффективность гликолиза в анаэробных условиях составляет 2 молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы.
-
АЭРОБНЫЙ МЕТАБОЛИЗМ ПИРУВАТА
Клетки, недостаточно снабжаемые кислородом, могут частично или полностью существовать за счет энергии гликолиза. Однако большинство животных и растительных клеток в норме находится в аэробных условиях и свое органическое «топливо» окисляет полностью до СО2 и Н2О. В этих условиях пируват, образовавшийся при расщеплении глюкозы, не восстанавливается до лактата, а постепенно окисляется до СО2 и Н2О в аэробной стадии катаболизма, при этом первоначально происходит окислительное декарбоксилированиепирувата с образованием ацетил-КоА. Процесс осуществляется с участием мультиферментногопируватдегидрогеназного комплекса.
-
-
Окислительное декарбоксилированиепирувата
Суммарную реакцию, катализируемую пируватдегидрогеназным комплексом, можно представить следующим образом: Пируват + НАД+ + HS-KoA–> Ацетил-КоА + НАДН + Н+ + СO . Реакция сопровождается значительным уменьшением стандартной свободной энергии и практически необратима. При недостатке витаминов В1, В2, В5, пантотеата (предшественники ТДФ, ФАД, НАД+ и КоА-SH соответственно) снижается скорость окисления пирувата. Накопление пирувата в клетке сдвигает равновесие лактатдегидрогеназной реакции (гликолиз) в сторону образования лактата. Лактат из клеток перемещается в кровь, что может привести к развитию лактацидоза. Окисление ацетил-КоА осуществляется в цикле Кребса.
-
ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ(ЦИКЛ КРЕБСА)
Цикл трикарбоновых кислот впервые был открыт английским биохимиком Г. Кребсом. За это выдающееся открытие Г. Кребс получил Нобелевскую премию в 1953 г. (совместно с Ф. Липманом). Цикл трикарбоновых кислот часто называют его именем- цикл Кребса (цикл лимонной кислоты Кребса, цикл трикарбоновых кислот ). Он первым постулировал значение данного цикла для полного сгорания пирувата, главным источником которого является гликолитическое превращение углеводов. В дальнейшем было показано, что цикл трикарбоновых кислот является тем центром, в котором сходятся практически все метаболические пути. Через реакции цикла Кребса идет завершающая стадия катаболизма не только углеводов, но и других энергосубстратов (белки, липиды, частично нуклеиновые кислоты). Данный цикл происходит в матриксе митохондрий и состоит из восьми последовательных реакций
-
ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ (ЦИКЛ КРЕБСА)
-
Катаболическая функция этого пути заключается в извлечении энергии химических связей окисляемых субстратов в форме восстановленных коферментов (НАДН + Н+, ФАДН2) и ГТФ. Анаболическая функция цикла Кребса опосредуется через извлечение его промежуточных продуктов и их участия в реакциях синтеза глюкозы (глюконеогенез), аминокислот и ряда других соединений. Окисление энергосубстратов может осуществляться не только с конденсации ЩУК и ацетил-КоА, но и с других промежуточных метаболитов. НАДН и ФАДН2 отдают электроны и протоны в цепь переноса электронов (ЦПЭ), где электроны, переходя от одной редокс-пары к другой, спускаются на более низкие энергетические уровни, а выделяющаяся при этом энергия используется на создание трансмембранного электрохимического потенциала.
-
Начинается цикл с присоединения ацетил-КоА к оксалоацетату и образования лимонной кислоты (цитрата). Затем лимонная кислота (шестиуглеродное соединение) путем ряда дегидрирований (отнятие водорода) и двух декарбоксилирований (отщепление СО2) теряет два углеродных атома и снова в цикле Кребса превращается в оксалоацетат (четырехуглеродноесоединение), т.е. в результате полного оборота цикла одна молекула ацетил-КоА сгорает до СО2 и Н2О, а молекула оксалоацетатарегенерируется. Рассмотрим все восемь последовательных реакций (этапов) цикла Кребса.
-
Первая реакция катализируется ферментом цитратсинтазой, при этом ацетильная группа ацетил-КоА конденсируется с оксалоацетатом, в результате чего образуется лимонная кислота: Цитрат-синтаза Ацетил-КоАОксалоацетат Цитрат В данной реакции в качестве промежуточного продукта образуется связанный с ферментом цитрил-КоА. Затем последний самопроизвольно и необратимо гидролизуется с образованием цитрата и HS-KoA.
-
Вторая реакция: образовавшаяся лимонная кислота подвергается дегидратированию с образованием цис-аконитовой кислоты, которая, присоединяя молекулу воды, переходит в изолимонную кислоту (изоцитрат). Катализирует эти обратимые реакции гидратаци и дегидратации фермент аконитатгидратаза (аконитаза). В результате происходит взаимоперемещение Н и ОН в молекуле цитрата: Н и ОН в молекуле цитрата: Цитрат Аконитат-гидратазацис-АнонитатАконитат-гидратазаИзоцитрат
-
Третья реакция: изолимонная кислота дегидрируется в присутствии НАД-зависимой изоцитратдегидрогеназы. В ходе изоцитратдегидрогеназной реакции изолимонная кислота одновременно декарбоксилируется. НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа является аллостерическим ферментом, которому в качестве специфического активатора необходим АДФ. Кроме того, фермент для проявления своей активности нуждается в ионах Mg2 + или Мn2+. изоцитратизоцитратдегидрогеназаα-Кетоглутарат
-
Вовремячетвертойреакциипроисходитокислительноедекарбоксилированиеα-кетоглутаровойкислотысобразованиемвысокоэнергетическогосоединениясукцинил-КоА.Механизмэтойреакциисходенстаковымреакцииокислительногодекарбоксилированияпируватадоацетил-КоА,α-кетоглутаратдегидрогеназныйкомплекснапоминаетпосвоейструктурепируватдегидрогеназныйкомплекс.Какв одном, таки в другомслучаевреакциипринимаютучастие5коферментов: ТПФ,амидлипоевойкислоты,HS-KoA,ФАДи НАД+. α-Кетоглутаратα-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс Сукцинил-КоА HS-KoAНАД НАДH+Н+СO2
-
ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ (ЦИКЛ КРЕБСА)
Пятая реакция: катализируется ферментом сукцинил-КоА-синтетазой. Сукцинил-КоАпри участии ГТФ и неорганического фосфата превращается в янтарную кислоту (сукцинат). Одновременно происходит образование высокоэргической фосфатной связи ГТФ за счет высокоэргической тиоэфирной связи сукцинил-КоА: Сукцинил-КоА-синтетаза Сукцинил-КоАСукцинат
-
Шестая реакция: сукцинатдегидрируется в фумаровую кислоту. Окисление сукцината катализируется сукцинатдегидрогеназой, в молекуле которой с белком прочно (ковалентно) связан кофермент ФАД. В свою очередь сукцинатдегидрогеназа прочно связана с внутренней митохондриальноймембраной: Е-ФАД Е-ФАДН2 СукцинатСукцинатдегидрогеназаФумарат
-
Седьмая реакция осуществляется под влиянием фермента фумаратгидратазы(фумаразы). Образовавшаяся при этом фумаровая кислота гидратируется, продуктом реакции является L-яблочная кислота (малат) : ФумаратL-малат H2O H2O Фумараза Фумарат L-малат
-
Восьмая реакция: под влиянием митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназыпроисходит окисление L-малата в оксалоацетат: Малатдегидрогеназа L- малатОксалоацетат
-
За один оборот цикла, состоящего из восьми фермента- тивных реакций, происходит полное окисление («сгорание») одной молекулы ацетил-КоА. Для непрерывной работы цикла необходимо постоянное поступление в систему ацетил-КоА, а коферменты (НАД+ и ФАД), перешедшие в восстановленное состояние, должны снова и снова окисляться. Это окисление осуществляется в системе переносчиков электронов в дыхательной цепи (в цепи дыхательных ферментов), локализованной в мембране митохондрий. Образовавшийся ФАДН2 прочно связан с сукцинатдегидрогеназа (СДГ), поэтому он передает атомы водорода через KoQ. Освобождающаяся в результате окисления ацетил-КоА энергия в значительной мере сосредоточивается в макроэргических фосфатных связях АТФ.
-
Восстановленные коферменты (НАДН + Н+, ФАДН2) регенерируют в окисленные формы (НАД+ и ФАД) отдавая электроны и протоны в цепь переноса электронов. В результате сопряжения дыхания и фосфорилирования (окислительное фосфорилирование) синтезируется АТФ из расчета 2, 5 АТФ при поступлении электронов и протонов от НАДН + Н+ и 1,5 АТФ от ФАДН2. С учетом того, что в цикле Кребса образуются 3 молекулы НАДН + 3 Н+ и 1 ФАДН2, то это составит 9 АТФ. Ещё один АТФ образуется при регенерации ГТФ до ГДФ в реакции. ГТФ + АДФ ГДФ + АТФ. Итого энергетический баланс процесса выразится образованием 10 АТФ.
-
Челночные системы–механизм доставки образованных в гликолизе ионов Н+(в составе НАДН) из цитозоля в митохондрию. Так как сама молекула НАДН через мембрану не проходит, природа позаботилась о том, чтобы создать системы, принимающие этот водород в цитоплазме и отдающие его в матриксе митохондрий.
-
Определены две основные челночные системы– глицеролфосфатная и малат-аспартатная. Глицеролфосфатный челнок активен в печении в быстрых мышечных волокнах.Его ключевыми ферментами являются изоферменты глицерол-3-фосфатдегидрогеназы, цитоплазматический и митохондриальный. Они отличаются своими коферментами: у цитоплазматической формы– НАД, у митохондриальной– ФАД. Метаболиты гликолиза диоксиацетонфосфат и НАДН образуют глицерол-3-фосфат, поступающий в матрикс митохондрий, где он окисляется с образованием ФАДН2 . Далее ФАДН2 направляется в дыхательную цепь и используется для получения энергии. Малат-аспартатныйчелнокболеесложен: постоянноидущиевцитоплазмере- акциитрансаминированияаспартатапоставляютоксалоацетат, которыйподдейст- виемцитозольногопуламалатдегидрогеназывосстанавливаетсядояблочнойки- слоты. Последняяантипортомсα-кетоглутаратомпроникаетвмитохондриии, явля- ясьметаболитомЦТК, окисляетсявоксалоацетатсобразованиемНАДН. Таккак мембранамитохондрийнепроницаемадляоксалоацетата, тоонаминируетсядоас- парагиновойкислоты, котораявобменнаглутаматвыходитвцитозоль.
-
Малат-аспартатный челнок более сложен: постоянно идущие в цитоплазме реакции трансаминированияаспартата поставляют оксалоацетат, который под действием цитозольного пула малатдегидрогеназы восстанавливается до яблочной кислоты. Последняя антипортом с α-кетоглутаратом проникает в митохондриии, являясь метаболитом ЦТК, окисляется в оксалоацетат с образованием НАДН. Так как мембрана митохондрий непроницаема для оксалоацетата, то он аминируется до аспарагиновой кислоты, которая в обмен на глутамат выходит в цитозоль.
-
Полное окисление глюкозы Примечание: Гл – глюкоза, Гл-6-ф – глюкозо-6-фосфат, Фр-6-Ф – фруктозо-6-фосфат, Фр-1,6-ДФ – фруктозо-1,6-дифосфат, ДАФ – диоксиацетонфосфат, ГАФ – глицеральдегидфосфат, 1,3 ДФГ – 1,3-дифосфоглицерат, 3-ФГ – 3-фосфоглицерат, 2-ФГ – 2-фосфоглицерат, ФЕП – фосфоенолпируват, ПВК – пировиноградная кислота, Ац-КоА – ацетил-КоА, ЩУК – щавелевоуксусная кислота. При расчете биоэнергетики окисления глюкозы учитываем, что в окислительное декарбоксилирование поступают 2 молекулы ПВК, а в цикл Кребса 2 молекулы ацетил – КоА.
-
Оригинальный текст мнемонического стихотворения с правильным выделением названий веществ: ЩУКуАЦЕТИЛ ЛИМОНил, Но нарЦИСсАКОНь боялся, Он над ним ИЗОЛИМОННо АЛЬФА-КЕТОГЛУТАРался. СУКЦИНИЛсяКОЭНЗИМом, ЯНТАРилсяФУМАРОВо, ЯБЛОЧек припас на зиму, Обернулся ЩУКой снова. Здесь последовательно зашифрованы субстраты реакций цикла трикарбоновых кислот: ЩУК (щавелевоуксуснаякислота), АЦЕТИЛ-коэнзим А, ЛИМОНнаякислота, ЦИС-АКОНитовая кислота, ИЗОЛИМОННаякислота, АЛЬФА-КЕТОГЛУТАРовая кислота, СУКЦИНИЛ-КОЭНЗИМ A, ЯНТАРнаякислота, ФУМАРОВая кислота, ЯБЛОЧнаякислота, ЩУК (щавелевоуксусная кислота).
-
Челночные механизмы переноса восстановленных эквивалентов из цитозоля в митохондрии: 1. В печени, почках, сердце – общий итог аэробного гликолиза – 38 АТФ. 2. В мозге, мышцах – общий итог аэробного гликолиза – 36 АТФ.
-
Гормональная регуляция.
Инсулин – активирует гликолиз, активируя ферменты гексокиназу и глюкокиназу (1-я реакция), фосфороктокиназу (3-я реакция) и пировактиназу (10-я реакция).
-
Глюкагон – ингибирует гликолиз, инактивируя фермент пирувактиназу (10-я реакция гликолиза).
-
Адреналин – активирует гликолиз, активируя фермент фосфофруктокиназу (3-я реакция).
-
Кортизол – ингибирует гликолиз в печени за счет активации фермента фосфатазы, которая затем ингибирует гликогенфосфорилазу и активирует гликогенсиназу, поэтому биосинтез гликогена в печени усиливается и снижается количество глюкозы, которая может подвергаться расщеплению по пути гликолиза. В мышцах кортизол активирует распад гликогена и аэробный гликолиз.
-
Анаэробный гликолиз включает 11 реакций, из которых 10 первых реакций: Общие с аэробным гликолизом. 11-я реакция – биосинтез лактата (молочной кислоты) за счет взаимодействия ПВК с НАДН + Н+ (из 6-й реакции гликолиза) под влиянием лактатдегидрогеназы (ЛДГ); протекает в скелетных мышцах при недостатке О2. Энергетический эффект окисления 1 молекулы глюкозы 2 молекулы АТФ
-
Лактат не выбрасывается из организма, а возвращается из скелетных мышц в печень, окисляется в ПВК, которая используется на биосинтез глюкозы в процессе глюконеогеназа (цикл Кори), а НАДН + Н+ образует в ЦПЭ энергию в виде АТФ.
-
Расщепление глюкозы по пентозофосфатному апотомическому пути.
Пентозофосфатный путь – алотомическийпуть расщепления глюкозы – можно разделить на 2 ветви (фазы): 1. Окислительную 2. Неокислительную
-
Окислительная ветвь приводит к образованию восстановленных эквивалентов НАДФН + Н+, пентоз и угликислого газа, который в гликолизе не образуется. Окисление глюкозо-6-фосфата по пентозофосфатному пути катализируется глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой НАДФ+ - зависимой, а не НАД+ - зависимой.
-
Хотя энергетическая ценность НАДФН + Н+равнв 52,6 ккал/моль, но НАДФН + Н+ используется в биосинтезах ВЖК и ХС без трансформации в АТФ.
-
В процессе неокислительной ветви пентозофосфатного пути 6 молекул рибулезо-5-фосфат превращаются в 5 молекул глюкозо-6-фосфат с участием ферментов транкетолазы и трансальдолазы.
-
Реакции,составляющие неокислительную ветвь, являются обратными, поэтому путь превращения пентоз в гексозы и путь образования пентоз из гексоз вместе составляют циклический процесс – пентофосфатный цикл.
-
Локализация пентофосфатного пути (ПФП).
Высокий уровень активности ПФП проявляется в печени, жировой ткани, в коре надпочечников, эритроцитах, актирующей в молочной железе. Низкий уровень – в скелетных мышцах, щитовидной железе, легких, сердце.
-
Биологическое значение пентофосфатного пути прежде всего состоит в том, что он является единственным источником восстановленных эквивалентов НАДФН + Н+ в в организме, которые используются в реакциях синтеза жирных кислот, холестерина, стероидных гормонов, желчных кислот, витамина Д3 и т.д. в эритроцитах молекулы НАДФН + Н+ поддерживают высокий уровень восстановленного глутатиона, который предохраняет ненасыщенные жирные кислоты мембран от перекисного окисления (ПОЛ).
-
Недостаток в эритроцитах глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы приводит к нарушению образования НАДФН + Н+, в результате – гемолиз эритроцитов.
-
Глюконеогенез.
Глюкоза является одним из главных источников энергии клеток. Мозг обеспечивается энергией почти полностью за счет диффузно поступающей глюкозы, так как ВЖК в клетки мозга не проникает через гематоэнцефалитический барьер. Поэтому при понижении концентрации глюкозы в крови нарушается функционирование мозга. В анаэробных условиях глюкоза является единственным источником энергии для работы скелетной мышцы. Образовавшийся из глюкозы лактат затем поступает с кровью в печень, где превращается в глюкозу, которая затем возвращается в мышцу (цикл Кори).
-
Биологическое значение глюконеогеназа заключается не только в возвращении лактата в метаболический фонд, но и в поддержании концентрации глюкозы на достаточном уровне при недостатке углеводов в организме, например при углеводном или полном голодании и сахарном диабет. Это достигается непрерывным синтезом D-глюкозы в организме из неуглеводных компонентов, таких, как пируват, лактат, глицерин.
-
Глюконеогенез протекает главным образом в печени и корковом веществе почек. В мышцах синтез глюкозы не происходит, так как отсутствуют ферменты обходимых реакций глюконеогенеза.
-
Глюконеогенез в основном протекает по тому же пути, что и гликолиз, но в обратном направлении. При этом следует учесть, что фермент глюкозо-6-фосфатаза отсутствует в мышцах, клетках мозга и жировых тканях, поэтому они не поставляют в кровь свободную глюкозу.
-
В процессе глюконеогенеза имеются 2 «холостые» реакции (2-я и 3-я обходные стадии), в результате которых отщепляется фосфорная кислота, но АТФ не образуется, т.е. происходит потеря энергии (она рассеивается в организме в виде тепла).
-
Суммарная реакция глюконеогенеза: 2ПВК + 4АТФ + 2ГТФ +2НАДН + Н+ +4Н2О -> глюкоза + 2НАД+ + 4АДФ +2ГДФ +6Н3РО4.
-
Таким образом: Обходные стадии глюконеогенеза необратимые, следовательно, путь превращения пирувата в глюкозу неидентичен соответствующему катаболическому пути распада глюкозы (гликолизу); Синтез глюкозы обходится организму «дорого», так как на образование каждой молекулы глюкозы, в зависимости от исходного субстрата, расходуется до 6 макроэргов и 2 восстановленных эквивалентов НАДФН + Н+. Глюконеогенез и гликолиз регулируются реципрокно; Процесс глюконеогенеза препятствует накоплению лактата в напряжению работающих мышцах; Потребление больших количеств алкоголя резко тормозит глюконеогенез в печени, в результате чего понижается содержание глюкозы в крови, что оказывает неблагоприятное влияние на функции мозга; За сутки в здоровом организме синтезируется до 80г глюкозы; Скорость глюконеогенеза увеличивается в следующих состояниях: при голодании, усиленном белковом питании, недостаточном поступлении углеводов с пищей, сахарном диабете.
-
Биохимические изменения в организме при нарушении обмена углеводов.
Основные пути поступления глюкозы в кровь следующие: гидролиз сложных углеводов пищи; глюконеогенез; распад гликогена.
-
Основные пути расходования глюкозы крови: распад глюкозы в клетках тканей и органов для получения энергии; использование глюкозы на биосинтез гликогена, в основном в печени и скелетных мышцах (запасание энергетического материала); на биосинтез в клетках различных олигосахаридов и гетерополисахаридов; на биосинтез липидов в жировой ткани и др.
-
Важное значение для организма имеет поддержание глюкозы в крови на определенном постоянном уровне (3,3-5,5 ммоль/л), так как глюкоза является основным энергетическим субстратом для многих органов и тканей, особенно для нервной ткани.
-
Гормоном, снижающим содержание глюкозы в крови, является инсулин. Все остальные гормоны (адреналин, глюкагон, кортизол, тироксин и др.) повышает уровень глюкозы в крови.
-
Основные пути нарушения обмена углеводов в организме следующие: Нарушение переваривания и всасывания углеводов в ЖКТ – происходит из-за отсутствия или недостатка ферментов слизистой кишечника: лактазы, мальтазы, сахаразы. Гиперкликемии (повышение содержания глюкозы в крови > 5,5 ммоль/л). Гипокликемии (понижение содержания глюкозы в крови
-
Гипергликемии: 1. Алиментарная – поступление с пищей большого количества углеводов; 2. Стрессовая – понижение утилизации глюкозы клетками тканей вследствие дефицита инсулина – сахарный диабет; 3. Патологическая. Основные причины: увеличение концентрации глюкозы в крови вследствие: Усиления распада гликогена (гиперсекреция адреналина, глюкагона в следующих ситуациях: стресс, физическая травма, опухоль мозгового слоя надпочечников, инфекция, панкреатит, гепатит и др.) Усиления глюконеогенеза (гиперсекреция картизола при наличии опухоли коркового слоя надпочечников или опухоли гипофиз, продуцирующего АКГГ и т.д.).
-
Сахарный диабет
Сахарный диабет – это заболевание , обусловленное дефицитом инсулина (гормона поджелудочной железы) или недостаточностью его его действия.
-
Различают диабет 2 основных типов: Инсулинозависимый (нарушен биосинтез инсулина); Инсулиннезависимый (б/с инсулина не нарушен, но увеличен б/с глюкагона). Для различения инсулинозависимого сахарного диабета от инсулиннезависимого необходимо проведение глюкозотолерантного теста.
-
Биохимические изменения в углеводном обмене при сахарном диабете:
Гимерглюкемия и гликозурия; Кетонемия и кетонурия; Азотемия и азотурия; Полидипсия (жажда, потребление большого количества воды); Полиурия (выделение большого количества мочи); Ацидоз.
-
Гипогликемии: Алиментарная – неполное или полное голодание; Патологическая. Основные причины: повышение утилизации глюкозы клетками (введение больших доз инсулина, гиперфункция Р-клеток островков Лангерганса поджелудочной железы); снижение продукции глюкозы клетками тканей и органов вследствие ослабления глюконеогеназа (уменьшение секреции кортизола из-за нарушения функций коркового слоя надпочечников – болезнь Аддисона).
-
Наследственные нарушения углеводного обмена (врожденные): 1. Фруктоземия (отсутствие фермента фруктокеназы); 2. Галактоземия (отсутствие фермента галактоза-1-фосфатуридилилтранферазы); 3. Врожденное отсутствие фермента пентозофосфатного пути НАДФ-зависимой глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы. 4. Гликогеназы (отсутствие или снижение активности ферментов распада гликогена см. таблицу). 5. Гликозидозы (отсутствие ферментов распада гетерополисахаридов): Болезнь Слая (дефект фермента распада хондроининсульфата – Р-глюкуронидазы); Болезнь Моркио – Ульриха (отсутствие фермента расщепления кератансульфата).
-
Изменения углеводного обмена при гипоксии: Не образуется АТФ. Идет накопление НАДН + Н+. НАДН + Н+ ингибируют два фермента гликолиза: фосфоруктокиназу (3-я реакция) и пируваткиназу (10-я реакция), поэтому гликолиз ослаблен. НАДН + Н+ ингибирует 4 фермента ЦТК: ПДК, цитратсинтазу, изоцитратдегидрогеназудекарбоксилирующую, оскетоглуторатдегидрогеназный комплекс. Кетокислоты в ЦТК превращаются в оксикислоты.
-
Типы гликогенозов.
-
Гликозированный гемоглобин.
Гликозированный гемоглобин образуется в результате медленного неферментативного присоединения глюкозы к гемоглобину, содержащиеся в эритроцитах. Скорость этой реакции и количество образующегося гликолизированного гемоглобина зависят от среднего уровня глюкозы в крови на протяжении срока жизни эритроцитов (в среднем этот период составляет 60-90 дней). То есть чем выше уровень гликолизированного гемоглобина, тем выше была гликемия за последние три месяца и, соответственно, больше риск развития осложнений сахарного диабета.
-
У больных сахарным диабетом уровень HbA1с может быть повышен в 2-3 раза. Нормализация уровня гликолизированного гемоглобина в крови происходит на 4-6 неделе после достижения нормального уровня глюкозы.
-
Повышение значений: Сахарный диабет и другие состояния с нарушенной толерантностью к глюкозе. Определение уровня компенсации: 5,5-8% - хорошо компенсированный сахарный диабет 8-10% - достаточно хорошо компенсированный сахарный диабет 10-12 % - частично компенсированный сахарный диабет >12% - некомпенсированный сахарный диабет Дефицит железа
-
Ложное повышение может быть обусловлено высокой концентрацией фетального гемогловина (HbF).
-
Снижение значений: Гипогликемия Гемолитическая анемия Кровотечения Переливание крови
-
Глюкозотолерантный тест.
Глюкозотолерантный тест проводится пациентам, если концентрация сахара в крови натощак составляет от 5,7 до 6,9 ммоль\л, а также, если имеются факторы риска развития сахарного диабета (избыточный вес, гипертоническая болезнь, рождение крупного плода и наличие сахарного диабета у близких родственников).
-
В течение 3-х суток перед исследованием пациент придерживается сбалансированной диеты, содержащей не менее 125 грамм углеводов. В день исследования исключается прием пищи и жидкости. Срок голодания перед исследованием должен составлять не менее 10 часов. Вначале проводится забор крови и определяется уровень глюкозы. Далее обследуемый принимает 75 грамм сахара, растворенного в 200 мл воды. Через 30, 60, 90 и 120 минут берут кровь и исследуется уровень глюкозы.
-
Если уровень глюкозы в крови 7,0 ммоль\л и более в пробе, которая взята натощак, а через 2 часа составляет 11 ммоль\л и более, то это характерно для сахарного диабета. Если уровень глюкозы в крови натощак менее 7,0 ммоль\л, а через 2 часа составляет от 8 до 11 7,0 ммоль\л, то данное состояние ноносит название нарушение толерантности к глюкоз, что может говорить о скрытом, латентном течении диабета.
-
Молочная кислота (лактат) – продукт анаэробного метеболизма глюкозы (гликогена), в ходе которого она образуется из пирувата под действием лактатдегидрогеназы. При достаточном поступлении кислорода пируват подвергается метаболизму в митохондриях до воды и углекислоты. В анаэробных условиях, при недостаточном поступлении кислорода, пируват преобразуется в лактат. Основное количество молочной кислоты поступает в кровь из скелетных мышц, мозга и эритроцитов.
-
Клиренс лактата (исчезновение его из крови) связан, главным образом, с метаболизмом его в печени и почках. Поглощение лактата печенью является насыщаемым процессом. Существует понятие «лактатного порога», при достижении которого плавный рост концентрации молочной кислоты при ее повышенной продукции переходит в скачкообразный.
-
Концентрация лактата при физической нагрузке коррелирует с развитием утомления. В патологии лактоацидоз (закисление крови вследствие накопления лактата) чаще всего наблюдается при уменьшении даставки кислорода к тканям (тип А), вследствие снижения кровотока (тяжелые заболевания легких, задержка дыхания). Лактативный ацидоз – один из вариантов метаболического ацидоза, который можно заподозрить при высоком анионном дефиците (разность между концентрацией натрия и суммарной концентрацией хлорида и бикарбонатов > 18 ммоль\л) и отсутствии других причин, таких как почечная недостаточность, прием салицилатов, отравление метанолом, злоупотребление этанолом, значительная кетонемия.
-
Глюкоза.
Больше половины энергии, расходуемой здоровым организмом, образуется за счет окисления глюкозы. Концентрация глюкозы в крови является производной активности процессов гликогенеза, гликогенолиза, глюконеогенеза и гликолиза. Концентрация глюкозы в крови регулируется гормонами: инсулин является основным гипогликемическим фактором, а другие гормоны – глюкагон, соматотропин (СТГ), тиреотропин (ТТГ), гормоны щитовидной железы (Т3 и Т4), кортизол и адреналин вызывают гипергликемию (контринсулярное действие). Концентрация глюкозы в артериальной крови выше, чем венозной, так как происходит постоянная утилизация глюкозы тканям. С мочой глюкоза в норме не выводится.
-
Измерение глюкозы в крови является основным лабораторным тестом в диагностике диабета. Текущие критерии диагностического использования измерения глюкозы крови: сочетание клинических симптомов диабета и случайного (то есть независимого от времени предыдущего приема пищи) обнаружения глюкозы плазмы порядка 11,1 ммоль\л и выше; обнаружение глюкозы натощак 7,0 ммоль\л и выше; уровень глюкозы в плазме через 2 часа после введения в пероральномглюкозотолерантном тесте – 11,1 ммоль\л и выше.
-
Натощак, не менее через 8 часов (!) после последнего приема пищи. Желательно брать кровь в утренние часы. Необходимо исключить повышенные психо-эмоциональные и физические нагрузки. Глюкоза во взятой пробе крови продолжает потребляться клетками крови (эритроцитами, лейкоцитами, особенно при высоком количестве лейкоцитов). Поэтому необходимо отделить плазму (сыворотку) от клеток не позже чем через 2 часа после взятия пробы или использовать пробирки с ингибиторами гликолиза. При несоблюдении этих условий могут наблюдаться ложно заниженные результаты.
Нет комментариев для данной презентации
Помогите другим пользователям — будьте первым, кто поделится своим мнением об этой презентации.