Обмін і функції вуглеводів

Тема: «ОБМІН І ФУНКЦІЇ вуглеводів. Анаеробних і аеробного окислення ГЛЮКОЗИ »

1. Визначення поняття і основні принципи класифікації вуглеводів. Будова найважливіших моно-, ди-і полісахаридів. Біологічні функції вуглеводів.

2. Глюкозо-6-фосфат - ключовий метаболіт вуглеводного обміну. Основні шляхи утворення та використання глюкозо-6-фосфату і їх роль в організмі.

3. Гліколіз - центральний шлях катаболізму глюкози. Біологічна роль, локалізація в клітині, послідовність реакцій. Глікогеноліз, його зв'язок з гликолизом.

4. Енергетичний баланс (баланс АТФ) гліколізу і глікогенолізу.

5. Регуляторні ферменти гліколізу. Роль аллостеріческіх ефекторів (активаторів, інгібіторів) в регуляції швидкості анаеробного розпаду глюкози в тканинах.

6. Механізми переносу водню з цитоплазматичного НАДН в мітохондрії (човникові механізми).

7. Аеробний дихотомический шлях окислення глюкози: послідовність етапів (схема), реакції дегідрування і субстратного фосфорилювання. Енергетичний баланс (вихід АТФ).

Класифікація та функції вуглеводів.

15.1.1. Вуглеводи - полігідроксікарбонільние з'єднання і їх похідні, Їх характерною ознакою є наявність альдегідної (СН = О) або кетонної (> C = O) груп і не менше 2 гідроксильних (ОН) груп.

15.1.2. За структурою вуглеводи поділяють на моносахариди, олігосахариди і полісахариди.

Моносахариди - найбільш прості вуглеводи, що не піддаються гідролізу. Залежно від наявності альдегідної або кетонної групи розрізняють альдози (наприклад, глюкоза, галактоза, рибоза, глицеральдегид) і кетози (наприклад, фруктоза, рибулозо, диоксиацетон).

Олігосахариди - вуглеводи, що містять від 2 до 10 моносахаридних залишків, з'єднаних, за допомогою глікозидних зв'язків. Залежно від кількості моносахаридних залишків розрізняють дисахариди (містять 2 залишку, наприклад, лактоза, сахароза, мальтоза), трісахаріди (містять 3 залишку) і.т.д.

Полісахариди - вуглеводи, що містять більше 10 моносахаридних залишків, з'єднаних за допомогою глікозидних зв'язків. Якщо полісахарид складається з однакових моносахаридних залишків, то це гомополісахарід (крохмаль, глікоген, целюлоза). Якщо полісахарид складається з різних моносахаридних залишків, то це гетерополісахарид (гіалуронова кислота, хондроітинсірчана кислота, гепарин).

Формули найважливіших вуглеводів представлені на малюнку 15.1.

15.1.3. Функції вуглеводів. Вуглеводи виконують в організмі такі функції:

1. Енергетична. Вуглеводи служать джерелом енергії. За рахунок їх окислення задовольняється приблизно половина всієї потреби людини в енергії. При окисленні 1 г вуглеводів виділяється близько 16,9 кДж енергії.

2. Резервна. Крохмаль і глікоген є формою зберігання поживних речовин, виконуючи функцію тимчасового депо глюкози.

3. Структурна. Целюлоза та інші полісахариди рослин утворюють міцний остов; в комплексі з білками і ліпідами вони входять до складу біомембран всіх клітин.

4. Захисна. Кислі гетерополісахаріди виконують роль біологічного мастильного матеріалу, вистілая труться поверхні суглобів, слизової травних шляхів, носа, бронхів, трахеї та ін.

5. Антикоагулянтная. Гепарин володіє важливими біологічними властивостями, зокрема перешкоджає згортанню крові.

6. Вуглеводи є джерелом вуглецю. який необхідний для синтезу білків, нуклеїнових кислот, ліпідів і інших сполук.

15.1.4. Джерелом вуглеводів для організму служать вуглеводи їжі (крохмаль, сахароза, лактоза, глюкоза). Глюкоза може синтезуватися в організмі з амінокислот, гліцерину, пірувату і лактату (глюконеогенез).

Анаеробне окислення глюкози.

15.2.1. Гліколіз - це ферментативний розпад глюкози в аеробних умовах до двох молекул піровиноградної кислоти (аеробний гліколіз), а в анаеробних умовах - до двох молекул молочної кислоти (гліколіз). В анаеробних умовах гліколіз протікає в тканинах без споживання кисню і є єдиним процесом, який поставляє АТФ, так як окисне фосфорилювання в цих умовах не функціонує. Гліколіз відбувається у всіх тканинах, що функціонують в умовах гіпоксії, перш за все в скелетних м'язах. Гліколіз в еритроцитах навіть в присутності кисню завершується утворенням лактату, оскільки в цих клітинах відсутні мітохондрії.

Гліколіз протікає в цитоплазмі клітин організму. Цей процес каталізується одинадцятьма ферментами, які виділені в високоочищеним стані і добре вивчені. Умовно можна розділити гліколіз на дві стадії.

15.2.2. Перша стадія гліколізу є підготовчою і включає реакції перетворення молекули глюкози в дві молекули фосфотріоз. Ця стадія супроводжується витратою молекул АТФ.

Початковою реакцією перетворення глюкози в клітці є її фосфорилювання в результаті взаємодії з АТФ (рисунок 15.1, реакція 1). Ця реакція в умовах клітини протікає тільки в одному напрямку. Біологічна роль реакції фосфорилювання глюкози полягає в тому, що глюкозо-6-фосфат, на відміну від вільної глюкози, не може проникати через плазматичну мембрану назад в кров і виявляється «замкненою» в клітці. Таким чином, глюкозо-6-фосфат є ключовим метаболітом вуглеводного обміну, на рівні якого здійснюється інтеграція різних шляхів перетворення глюкози в клітці.

У більшості тканин реакцію фосфорилювання глюкози каталізує фермент гексокіназа. яка володіє високою спорідненістю до глюкози, здатна також фосфорилювати фруктозу і манозу і аллостеріческого відзначено зниження надлишком глюкозо-6-фосфату. У клітинах печінки, крім того, є фермент глюкокіназа. яка має низьку спорідненість до глюкози, не інгібує глюкозо-6-фосфатом і не бере участі в фосфорилировании інших моносахаридів. Глюкокіназа ефективно функціонує тільки при високій концентрації глюкози в крові. Це сприяє засвоєнню великої кількості вуглеводів, що надходять в печінку з кишечника в активну фазу травлення.

У наступній реакції глюкозо-6-фосфат изомеризуется у фруктозо-6-фосфат (рисунок 15.1. Реакція 2).

Продукт реакції ізомеризації піддається повторному фосфорилированию за рахунок АТФ (рисунок 15.1. Реакція 3). Ця реакція - найбільш повільно протікає реакція гліколізу і, подібно фосфорилированию глюкози, необоротна. Фермент - фосфофруктокінази - є аллостерическим, активується АДФ, АМФ, і фруктозо-2,6-бісфосфат, а відзначено зниження цитратом і високою концентрацією АТФ.

На наступному етапі фруктозо-1,6-дифосфат піддається розщепленню на дві фосфотріози (рисунок 15.1. Реакція 4). Таким чином, хімічна сполука, що містить 6 вуглецевих атомів, перетворюється в два, що містять по 3 атома вуглецю. Тому гліколіз називають дихотомічним шляхом перетворення глюкози (від слова «дихотомія» - розсічення на дві частини).

Далі відбувається ізомеризація тріозофосфатов (рисунок 15.1. Реакція 5). У цій реакції діоксиацетонфосфат переходить в глицеральдегид-3-фосфат. Таким чином, в першій стадії гліколізу молекула глюкози перетворюється в дві молекули глицеральдегид-3-фосфату. Тому в реакціях другій стадії глюкози братиме участь по дві молекули кожного субстрату, що необхідно враховувати при розрахунку енергетичного балансу даного метаболічного шляху.

Малюнок 15.1. Реакції першої стадії гліколізу.

15.2.3. Друга стадія гліколізу включає реакції перетворення двох молекул глицеральдегид-3-фосфату в дві молекули лактату. На цій стадії гліколізу відбувається синтез молекул АТФ.

Гліцеральдегід-3-фосфат піддається дегидрированию за участю НАД-залежної дегідрогенази. У цій реакції відбувається споживання неорганічного фосфату, який включається до складу продукту реакції, що містить макроергічні фосфатную зв'язок (малюнок 15.2, реакція 6), а проміжним донором водню служить SH-група в активному центрі ферменту, яка потім регенерує.

1,3-дифосфоглицерата вступає в реакцію першого субстратного фосфорилювання, тобто НЕ сполученого з перенесенням електронів в дихальної ланцюга. У цій реакції здійснюється синтез молекули АТФ в результаті перенесення фосфатної групи разом з макроергічним зв'язком на молекулу АДФ (рисунок 15.2, реакція 7).

У наступній реакції відбувається внутримолекулярное переміщення фосфатної групи 3-фосфогліцерата до 2-го вуглецевого атома (рисунок 15.2, реакція 8). Тим самим полегшується подальше відщеплення молекули води, що призводить до появи в продукті реакції макроергічним фосфатного зв'язку (рисунок 15.2, реакція 9).

Фосфоенолпіруват (ФЕП) вступає в реакцію другого субстратного фосфорилювання, в ході якого утворюється молекула АТФ. На відміну від першого субстратного фосфорилювання, дана реакція є незворотною в умовах клітини (малюнок 15.2, реакція 10). Фермент піруваткіназа існує в двох ізоферментних формах. Ізофермент, присутній в печінкових клітинах, аллостеріческого відзначено зниження АТФ і активується фруктозо-1,6-дифосфат. Ізофермент, присутній в головному мозку, м'язах і інших тканинах, не є аллостерическим і не приймає участі в регуляції гліколізу.

У заключній реакції гліколізу відбувається використання НАДН, що утворився при дегидрировании глицеральдегид-3-фосфату (див. Реакцію 6). За участю НАД-залежної лактатдегідрогенази піруват відновлюється в молочну кислоту (рисунок 15.2, реакція 11). Фермент існує в п'яти ізоферментних формах, що відрізняються спорідненістю до субстрату і розподілом в тканинах.

Таким чином, в процесі утворення лактату з глюкози в клітці не накопичується НАДН. Це означає, що даний процес є анаеробним і може протікати без участі кисню (який є кінцевим акцептором електронів, що передаються НАДН в дихальний ланцюг). У тканинах, що функціонують в умовах гіпоксії,

При підрахунку енергетичного балансу гліколізу слід враховувати, що кожна з реакцій другій стадії цього метаболічного шляху повторюється двічі. Таким чином, в першій стадії було витрачено 2 молекули АТФ, а в другій стадії шляхом субстратного фосфорилювання утворилося 2х2 = 4 молекули АТФ; отже при окисленні однієї молекули глюкози в клітці накопичується 2 молекули АТФ.