Введение
В организме человека до 60% энергии удовлетворяется за счет углеводов. Вследствие этого энергообмен мозга почти исключительно осуществляется глюкозой. Углеводы выполняют и пластическую функцию. Они входят в состав сложных клеточных структур (гликопептиды, гликопротеины, гликолипиды, липополисахариды и др.). Углеводы делятся на простые и сложные. Последние при расщеплении в пищеварительном тракте образуют простые моносахариды, которые затем из кишечника поступают в кровь. В организм углеводы поступают главным образом с растительной пищей (хлеб, овощи, крупы, фрукты) и откладываются в основном в виде гликогена в печени, мышцах. Количество гликогена в организме взрослого человека составляет около 400г. Однако эти запасы легко истощаются и используются главным образом для неотложных потребностей энергообмена.
Углеводы - главные энергетические субстраты для ресинтеза АТФ при интенсивных и длительных физических нагрузках. От их содержания в скелетных мышцах и печени зависит физическая работоспособность, развитие процессов утомления.
Оптимальное количество углеводов в сутки составляет около 500 г., но эта величина в зависимости от энергетических потребностей организма может значительно изменяться. Необходимо учитывать, что в организме процессы обмена углеводов, жиров и белков взаимосвязаны, возможны их преобразования в определенных границах. Дело в том, что промежуточный обмен углеводов, белков и жиров образует общие промежуточные вещества для всех обменов. Основным же продуктом обмена белков, жиров и углеводов является ацетилкоэнзим А. При его помощи обмен белков, жиров и углеводов сводится к циклу трикарбоновых кислот, в котором в результате окисления высвобождается около 70% всей энергии превращений.
1. Углеводы
Углеводы - группа органических соединений, состоящих из углерода, кислорода и водорода, необходимых для жизнедеятельности животных и растительных организмов. Общая формула углеводов - Сn(H2O)m, где n и m не меньше трех.
В зависимости от строения углеводы (сахара) делятся на:
1. Моносахариды:
Глюкоза С6Н12О6
Фруктоза С6Н12О6
рибоза С5Н10О5
дезоксирибоза C5H10O4
галактоза C6H12O6
2. Дисахариды:
Сахароза С12Н22О11
мальтоза C12H22O11
лактоза C12H22O11
3. Полисахариды:
Растительные:
крахмал (С6Н10О5)n
целлюлоза (С6Н10О5)n
Животные:
гликоген (C6H10O5) n
хитин (C8H13NO5)n
В живых организмах углеводы выполняют следующие функции:
1.Структурная и опорная функции. Углеводы участвуют в построении различных опорных структур. Так целлюлоза является основным структурным компонентом клеточных стенок растений, хитин выполняет аналогичную функцию у грибов, а также обеспечивает жёсткость экзоскелета членистоногих.
2.Защитная роль у растений. У некоторых растений есть защитные образования (шипы, колючки и др.), состоящие из клеточных стенок мёртвых клеток.
.Пластическая функция. Углеводы входят в состав сложных молекул, например, пентозы (рибоза и дезоксирибоза) участвуют в построении АТФ, ДНК и РНК.
.Энергетическая функция. Углеводы служат источником энергии: при окислении 1 грамма углеводов выделяются 4,1 ккал энергии и 0,4 г воды.
.Запасающая функция. Углеводы выступают в качестве запасных питательных веществ: гликоген у животных, крахмал и инулин - у растений.
.Осмотическая функция. Углеводы участвуют в регуляции осмотического давления в организме. От концентрации глюкозы зависит осмотическое давление крови.
.Рецепторная функция. Олигосахариды входят в состав воспринимающей части многих клеточных рецепторов или молекул-лигандов.
2. Углеводный обмен
Углеводный обмен - совокупность процессов превращения моносахаридов и их производных, а также гомополисахаридов, гетерополисахаридов и различных углеводсодержащих биополимеров (гликоконъюгатов) в организме человека и животных.
В результате углеводного обмена происходит снабжение организма энергией, осуществляются процессы передачи биологической информации и межмолекулярные взаимодействия, обеспечиваются резервные, структурные, защитные и другие функции углеводов. Углеводные компоненты многих веществ, например, гормонов, ферментов, транспортных гликопротеинов, являются маркерами этих веществ, благодаря которым их «узнают» специфические рецепторы плазматических и внутриклеточных мембран.
Основные этапы углеводного обмена
. Пищеварительный этап. Основные углеводы корма - крахмал и гликоген - начинают перевариваться в желудке (внутри пищевого корма, в щелочной среде действуют амилолитические ферменты слюны, корма, микрофлоры), а заканчивают в тонком кишечнике под действием амилазы, мальтазы, лактазы, инвертазы поджелудочного и кишечного соков. Моносахариды (глюкоза и фруктоза) всасываюися в кровь. У жвачных животных клетчатка в рубце расщепляется ферментами целлюлозолитических бактерий до глюкозы. Крахмал и глюкоза сбраживаются уксуснокислыми, молочнокислыми до ЛЖК - уксусной, масляной, пропионовой кислот, которые всасываются через стенку рубца в кровь. Из глюкозы и дисахаридов инфузории синтезируют полисахариды и откладывают их в форме крахмальных зерен в цитоплазме. Это предотвращает избыточное брожение в рубце. В сычуге инфузории погибают, и в кишечнике крахмал переваривается до глюкозы. У лошадей клетчатка переваривается таким же образом в толстом отделе кишечника. ЛЖК используются на образование энергии, синтез глюкозы, кетоновых тел, образование молока.
2. Промежуточный этап обмена углеводов. По воротной вене глюкоза поступает в печень. Здесь происходят следующие процессы: гликогенез - образование гликогена из глюкозы; неогликогенез - образование гликогена из молочной кислоты, ЛЖК, глицерина, безазотистых остатков аминокислот; гликоненолиз - распад гликогена до глюкозы. Аналогичные процессы происходят в мышцах. Распад глюкозы происходит двумя путями. Аэробный распад (окисление) - до углекислого газа и воды, при этом полностью освобождается энергия. Часть энергии переходит в потенциальную энергию химических связей - макроэргов (АТФ, АДФ, креатин-фосфат, гексозофосфат), остальная тратится организмом непосредственно. Анаэробный распад (бескислородный) идет до молочной кислоты. В процессе многостадийных реакций энергия освобождается не сразу, а порциями, что предотвращает потери энергии в виде избытка тепла.
3. Конечный этап обмена углеводов. Конечными продуктами углеводного обмена являются углекислый газ и вода, которые выделяются из организма. Молочная кислота, образующаяся при анаэробном распаде углеводов, частично распадается до углекислого газа и воды, частично идет на ресинтез гликогена.
углевод организм расщепление обмен
3. Регуляция углеводного обмена
У высших организмов обмен углеводов подвержен сложным механизмам регуляции, в которых участвуют гормоны, метаболиты и коферменты.
Нервная регуляция
Возбуждение симпатических нервных волокон приводит к освобождению адреналина из надпочечников, который стимулирует расщепление гликогена в процессе гликогенолиза. Поэтому при раздражении симпатической нервной системы наблюдается гипергликемический эффект. Наоборот, раздражение парасимпатических нервных волокон сопровождается усилением выделения инсулина поджелудочной железой, поступлением глюкозы в клетку и гипогликемическим эффектом.
Гормональная регуляция
Инсулин, катехоламины, глюкагон, соматотропный и стероидные гормоны оказывают различное, но очень выраженное влияние на разные процессы углеводного обмена. Так, например, инсулин способствует накоплению в печени и мышцах гликогена, активируя фермент гликогенсинтетазу, и подавляет гликогенолиз и глюконеогенез.
Антагонист инсулина - глюкагон - стимулирует гликогенолиз. Адреналин, стимулируя действие аденилатциклазы, оказывает влияние на весь каскад реакций фосфоролиза. Гонадотропные гормоны активируют гликогенолиз в плаценте. Глюкокортикоидные гормоны стимулируют процесс глюконеогенеза. Соматотропный гормон оказывает влияние на активность ферментов пентозофосфатного пути и снижает утилизацию глюкозы периферическими тканями.
В регуляции глюконеогенеза принимают участие ацетил-КоА и восстановленный никотинамидадениндинуклеотид. Повышение содержания жирных кислот в плазме крови тормозит активность ключевых ферментов гликолиза. В регуляции ферментативных реакций углеводного обмена важную цель играют ионы Са2+, непосредственно или при участии гормонов, часто в связи с особым Са2+-связывающим белком - калмодулином. В регуляции активности многих ферментов большое значение имеют процессы их фосфорилирования - дефосфорилирования.
Глюкокортикоиды вырабатываются корой надпочечников, усиливают глюконеогенез, тормозят транспорт глюкозы, ингибируют гликолиз и пентозофосфатный цикл, потенциируют действие глюкагона, катехоламинов, соматотропного гормона.
Гормоны щитовидной железы усиливают скорость утилизации глюкозы, ускоряют ее всасывание в кишечнике, повышают основной обмен, в том числе окисление глюкозы.
Заключение
Таким образом, мы подробнее рассмотрели значение различных углеводов для живых организмов. Углеводы выполняют множество необходимых функций, они входят в состав ДНК и РНК, являются главным энергетическим ресурсом в организме для физических и умственных нагрузок.
Обмен углеводов - неотъемлемая часть полноценного существования любого живого организма. Углеводный обмен происходит в три этапа, контролируемых сложной системой механизмов нервной и гуморальной регуляции.
Список литературы
1)Козлова, Т.А. Биология в таблицах. 6-11 классы: Справочное пособие / Т.А. Козлова, В.С. Кучменко. - М: Дрофа, 2002. - 240 с.
)Скопичев, В.Г. Морфология и физиология животных: Учебное пособие / В.Г. Скопичев, Шумилов Б.В. - СПб.: Изд. «Лань», 2004. - 416 с.
Репетиторство
Нужна помощь по изучению какой-либы темы?
Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку
с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.
Не последнюю роль играют именно углеводы. Люди, которым небезразлично собственное здоровье, знают, что сложные углеводы предпочтительнее простых. И что лучше употреблять еду для более длительного переваривания и подпитки энергией на протяжении дня. Но почему именно так? Чем различаются процессы усвоения медленных и быстрых углеводов? Почему сладости стоит употреблять только для закрытия белкового окна, а мед лучше есть исключительно на ночь? Чтобы ответить на эти вопросы, подробно рассмотрим обмен углеводов в организме человека.
Для чего нужны углеводы
Помимо поддержания оптимального веса, углеводы в организме человека выполняют огромный фронт работы, сбой в которой влечет не только возникновение ожирения, но и массу других проблем.
Основными задачами углеводов является выполнение следующих функций:
- Энергетическая — приблизительно 70% калорийности приходится на углеводы. Для того, чтобы реализовался процесс окисления 1 г углеводов организму требуется 4,1 ккал энергии.
- Строительная — принимают участие в построении клеточных компонентов.
- Резервная — создают депо в мышцах и печени в виде гликогена.
- Регуляторная — некоторые гормоны по своей природе являются гликопротеинами. Например, гормоны щитовидной железы и гипофиза — одна структурная часть таких веществ белковая, а другая — углеводная.
- Защитная — гетерополисахариды принимают участие в синтезе слизи, которая покрывает слизистые оболочки дыхательных путей, органов пищеварения, мочеполового тракта.
- Принимают участие в распознавании клеток.
- Входят в состав мембран эритроцитов.
- Являются одними из регуляторов свертываемости крови, так как являются частью протромбина и фибриногена, гепарина ( — учебник «Биологическая химия», Северин).
Для нас главными источниками углеводов являются те молекулы, которые мы получаем с продуктами питания: крахмал, сахароза и лактоза.
@ Evgeniya
adobe.stock.com
Этапы расщепления сахаридов
Прежде чем рассматривать особенности биохимических реакций в организме и влияние метаболизма углеводов на спортивные результаты, изучим процесс расщепления сахаридов с их дальнейшим превращением в тот самый , который так отчаянно добывают и тратят спортсмены во время подготовки к соревнованиям.
Этап 1 — предварительное расщепление слюной
В отличие от белков и жиров, углеводы начинают распадаться почти сразу после попадания в полость рта. Дело в том, что большая часть продуктов, поступающих в организм, имеет в своем составе сложные крахмалистые углеводы, которые под воздействием слюны, а именно фермента амилазы, входящей в ее состав, и механического фактора расщепляются на простейшие сахариды.
Этап 2 — влияние желудочной кислоты на дальнейшее расщепление
Здесь вступает в силу желудочная кислота. Она расщепляет сложные сахариды, которые не попали под воздействие слюны. В частности, под действием ферментов лактоза расщепляется до галактозы, которая в последствии превращается в глюкозу.
Этап 3 — всасывание глюкозы в кровь
На этом этапе практически вся ферментированная быстрая глюкоза напрямую всасывается в кровь, минуя процессы ферментации в печени. Уровень энергии резко повышается, а кровь становится более насыщенной.
Этап 4 — насыщение и инсулиновая реакция
Под воздействием глюкозы кровь густеет, что затрудняет её перемещение и транспортировку кислорода. Глюкоза замещает кислород, что вызывает предохранительную реакцию — уменьшение количества углеводов в крови.
В плазму поступает инсулин и глюкагон из поджелудочной железы.
Первый открывает транспортные клетки для перемещения в них сахара, что восстанавливает утраченный баланс веществ. Глюкагон в свою очередь уменьшает синтез глюкозы из гликогена (потребление внутренних источников энергии), а инсулин «дырявит» основные клетки организма и помещает туда глюкозу в виде гликогена или липидов.
Этап 5 — метаболизм углеводов в печени
На пути к полному перевариванию углеводы сталкиваются с главным защитником организма — клетками печени. Именно в этих клетках углеводы под воздействием специальных кислот связываются в простейшие цепочки – гликоген.
Этап 6 — гликоген или жир
Печень способна переработать только определенное количество моносахаридов, находящихся в крови. Возрастающий уровень инсулина заставляет её делать это в кратчайшие сроки. В случае, если печень не успевает перевести глюкозу в гликоген, наступает липидная реакция: вся свободная глюкоза путём её связывания кислотами превращается в простые жиры. Организм делает это с целью оставить запас, однако в виду нашего постоянного питания, «забывает» переварить, и глюкозные цепочки, превращаясь в пластические жировые ткани, транспортируются под кожу.
Этап 7 — вторичное расщепление
В случае, если печень справилась с сахарной нагрузкой и смогла превратить все углеводы в гликоген, последний под воздействием гормона инсулина успевает запастись в мышцах. Далее в условиях недостатка кислорода расщепляется назад до простейшей глюкозы, не возвращаясь в общий кровоток, а сохраняясь в мышцах. Таким образом, минуя печень, гликоген поставляет энергию для конкретных мышечных сокращений, повышая при этом выносливость ( — «Википедия»).
Именно этот процесс зачастую называют «вторым дыханием». Когда у спортсмена большие запасы гликогена и простых висцеральных жиров, превращаться в чистую энергию они будут только в отсутствии кислорода. В свою очередь спирты, содержащиеся в жирных кислотах, простимулируют дополнительное расширение сосудов, что приведет к лучшей восприимчивости клеток к кислороду в условиях его дефицита.
Особенности метаболизма по ГИ
Важно понимать, почему углеводы разделяются на простые и сложные. Все дело в их , который определяет скорость распада. Это, в свою очередь, запускает регуляцию обмена углеводов. Чем проще углевод, тем быстрее он попадет в печень и тем выше вероятность его превращения в жир.
Примерная таблица гликемического индекса с общим составом углеводов в продукте:
Особенности метаболизма по ГН
Однако даже продукты с высоким гликемическим индексом не способны нарушить обмен и функции углеводов так, как это делает . Она определяет, насколько сильно печень загрузится глюкозой при употреблении этого продукта. При достижении определенного порога ГН (порядка 80-100), все калории, поступающие сверх нормы, будут автоматически конвертироваться в триглицериды.
Примерная таблица гликемической нагрузки с общей калорийностью:
Инсулиновая и глюкагоновая реакция
В процессе потребление любого углевода, будь то сахар или сложный крахмал, организм запускает сразу две реакции, интенсивность которых будет зависеть от ранее рассмотренных факторов и в первую очередь, от выброса инсулина.
Важно понимать, что инсулин всегда выбрасывается в кровь импульсами. А это значит, что один сладкий пирожок для организма так же опасен, как 5 сладких пирожков. Инсулин регулирует густоту крови. Это необходимо, чтобы все клетки получали достаточное количество энергии, не работая в гипер- или гипо- режиме. Но самое главное, от густоты крови зависит скорость её движения, нагрузка на сердечную мышцу и возможность транспортировки кислорода.
Выброс инсулина – это естественная реакция. Инсулин дырявит все клетки в организме, способные воспринимать дополнительную энергию, и запирает её в них. В случае, если печень справилась с нагрузкой, в клетки помещается гликоген, если печень не справилась, то в те же клетки попадают жирные кислоты.
Таким образом, регуляция углеводного обмена происходит исключительно благодаря выбросам инсулина. Если его недостаточно (не хронически, а одноразово), у человека может возникнуть сахарное похмелье — состояние, при котором организм требует дополнительной жидкости для увеличения объемов крови, и разжижения её всеми доступными средствами.
Последующее распределение энергии
Последующее распределение энергии углеводов происходит в зависимости от типа сложения, и тренированности организма:
- У нетренированного человека с медленным обменом веществ. Гликогеновые клетки при снижении уровня глюкагона возвращаются в печень, где перерабатываются в триглицериды.
- У спортсмена. Гликогеновые клетки под воздействием инсулина массово запираются в мышцах, давая запас энергии для следующих упражнений.
- У неспортсмена с быстрым обменом веществ. Гликоген возвращается в печень, транспортируясь назад до уровня глюкозы, после чего насыщает кровь до пограничного уровня. Этим он провоцирует состояние истощения, так как несмотря на достаточное питание энергетическими ресурсами, клетки не имеют соответствующего количества кислорода.
Итог
Энергетический обмен — процесс, в котором участвуют углеводы. Важно понимать, что даже в отсутствии прямых сахаров, организм все равно будет расщеплять ткани до простейшей глюкозы, что приведет к уменьшению мышечной ткани или жировой прослойки (в зависимости от типа стрессовой ситуации).
Углеводный обмен
совокупность процессов превращения моносахаридов и их производных, а также гомополисахаридов, гетерополисахаридов и различных углеводсодержащих биополимеров (гликоконъюгатов) в организме человека и животных. В результате У. о. происходит снабжение организма энергией (см. Обмен веществ и энергии),
осуществляются процессы передачи биологической информации и межмолекулярные взаимодействия, обеспечиваются резервные, структурные, защитные и другие функции углеводов. Углеводные компоненты многих веществ, например гормонов (Гормоны),
ферментов (Ферменты),
транспортных гликопротеинов, являются маркерами этих веществ, благодаря которым их «узнают» специфические плазматических и внутриклеточных мембран. Синтез и превращения глюкозы в организме
. Один из наиболее важных углеводов - Глюкоза -
является не только основным источником энергии, но и предшественником пентоз, уроновых кислот и фосфорных эфиров гексоз. образуется из гликогена и углеводов пищи - сахарозы, лактозы, крахмала, декстринов. Кроме того, синтезируется в организме из различных неуглеводных предшественников (рис. 1
). Этот процесс носит название глюконеогенеза и играет важную роль в поддержании Гомеостаз а.
В процессе глюконеогенеза участвует множество ферментов и ферментных систем, локализованных в различных клеточных органеллах. Глюконеогенез происходит главным образом в печени и почках. Существуют два пути расщепления глюкозы в организме: Гликолиз (фосфоролитический путь, путь Эмбдена - Мейергофа - Парнаса) и пентозофосфатный путь (пентозный путь, гексозомонофосфатный шунт).
Схематически пентозофосфатный путь выглядит так: глюкозо-6-фосфат → 6-фосфатглюконолактон → рибулозо-5-фосфат → рибозо-5-фосфат. В ходе пентозофосфатного пути происходит последовательное отщепление углеродной цепи по одному атому углерода в виде СО 2 . В то время как играет важную роль не только в энергетическом обмене, но и вобразовании промежуточных продуктов синтеза липидов (Липиды),
пентозофосфатный путь приводит к образованию рибозы и дезоксирибозы, необходимых для синтеза нуклеиновых кислот (Нуклеиновые кислоты)
(ряда коферментов (Коферменты).
Синтез и распад гликогена
. В синтезе гликогена - главного резервного полисахарида человека и высших животных - участвуют два фермента: гликогенсинтетаза (уридиндифосфат (УДФ) глюкоза: гликоген-4α-глюкозилтрансфераза), катализирующая образование полисахаридных цепей, и ветвящий , образующий в молекулах гликогена так называемые связи ветвлении. Для синтеза гликогена необходимы так называемые затравки. Их роль могут выполнять либо с различной степенью полимеризации, либо белковые предшественники, к которым при участии особого фермента глюкопротеинсинтетазы присоединяются глюкозные остатки уридиндифосфатглюкозы (УДФ-глюкозы). Распад гликогена осуществляется фосфоролитическим () или гидролитическим путями. представляет собой каскадный процесс, в котором участвует ряд ферментов фосфорилазной системы - протеинкиназа, киназа b, фосфорилаза b, фосфорилаза а, амило-1,6-глюкозидаза, глюкозо-6-фосфатаза. В печени в результате гликогенолиза образуется глюкоза из глюкозо-6-фосфата благодаря действию на него глюкозо-6-фосфатазы, отсутствующей в мышцах, где превращения глюкозо-6-фосфата приводят к образованию молочной кислоты (лактата). Гидролитический (амилолитический) распад гликогена (рис. 2
) обусловлен действием ряда ферментов, называемых амилазами (Амилазы) (α-глюкозидазами). Известны α-, β- и γ-амилазы. α-Глюкозидазы в зависимости от локализации в клетке делят на кислые (лизосомные) и нейтральные. Синтез и распад углеводсодержащих соединений
. Синтез сложных сахаров и их производных происходит с помощью специфических гликозилтрансфераз, катализирующих перенос моносахаридов от доноров - различных гликозилнуклеотидов или липидных переносчиков к субстратам-акцепторам, которыми могут быть углеводный остаток, или липид в зависимости от специфичности трансфераз. Нуклеотидным остатком является обычно дифосфонуклеозид. В организме человека и животных много ферментов, ответственных за превращение одних углеводов в другие, как в процессах гликолиза и глюконеогенеза, так и в отдельных звеньях пентозофосфатного пути. Патология углеводного обмена.
Увеличение содержания глюкозы в крови - может происходить вследствие чрезмерно интенсивного глюконеогенеза либо в результате понижения утилизации глюкозы тканями, например при нарушении процессов ее транспорта через клеточные мембраны. Понижение содержания глюкозы в крови - - может являться симптомом различных болезней и патологических состояний, причем особенно уязвимым в этом отношении является мозг: следствием гипогликемии могут быть необратимые нарушения его функций. Генетически обусловленные дефекты ферментов У. о. являются причиной многих наследственных болезней (Наследственные болезни).
Примером генетически обусловленного наследственного нарушения обмена моносахаридов может служить Галактоземия ,
развивающаяся в результате дефекта синтеза фермента галактозо-1-фосфатуридилтрансферазы. Признаки галактоземии отмечают также при генетическом дефекте УДФ-глюкоза-4-эпимеразы. Характерными признаками галактоземии являются гипогликемия, появление и накопление в крови наряду с галактозой галактозо-1-фосфата, а также снижение массы тела, жировая и цирроз печени, катаракта, развивающаяся в раннем возрасте, задержка психомоторного развития. При тяжелой форме галактоземии дети часто погибают ни первом году жизни вследствие нарушений функций печени или пониженной сопротивляемости инфекциям. Примером наследственной непереносимости моносахаридов является , которая вызывается генетическим дефектом фруктозофосфатальдолазы и в ряде случаев - снижением активности Фруктоза-1,6-дифосфат-альдолазы. характеризуется поражениями печени и почек. Для клинической картины характерны , частая , иногда коматозное состояние. Симптомы заболевания появляются в первые месяцы жизни при переводе детей на смешанное или искусственное . Нагрузка фруктозой вызывает резкую гипогликемию. Заболевания, вызванные дефектами в обмене олигосахаридов, в основном заключаются в нарушении расщепления и всасывания углеводов пищи, что происходит главным образом в тонкой кишке. и низкомолекулярные , образовавшиеся из крахмала и гликогена пищи под действием α-амилазы слюны и сока поджелудочной железы, молока и сахароза расщепляются дисахаридазами (мальтазой, лактазой и сахаразой) до соответствующих моносахаридов в основном в микроворсинках слизистой оболочки тонкой кишки, а затем, если процесс транспорта моносахаридов не нарушен, происходит их . Отсутствие или снижение активности дисахаридаз к слизистой оболочке тонкой кишки служит главной причиной непереносимости соответствующих дисахаридов, что часто приводит к поражению печени и почек, является причиной диареи, метеоризма (см. Мальабсорбции синдром).
Особенно тяжелыми симптомами характеризуется наследственная , обнаруживающаяся обычно с самого рождения ребенка. Для диагностики непереносимости сахаров применяют обычно нагрузочные пробы с введением натощак per os углевода, непереносимость которого подозревают. Более точный может быть поставлен путем биопсии слизистой оболочки кишечника и определения в полученном материале активности дисахаридаз. состоит в исключении из пищи продуктов, содержащих соответствующий дисахарид. Больший эффект наблюдают, однако, при назначении ферментных препаратов, что позволяет таким больным употреблять обычную пищу. Например, в случае недостаточности лактазы, содержащий ее ферментный , желательно добавлять в молоко перед употреблением его в пищу. Правильный диагноз заболеваний, вызванных недостаточностью дисахаридаз, крайне важен. Наиболее частой диагностической ошибкой в этих случаях являются установление ложного диагноза дизентерии, других кишечных инфекций, и антибиотиками, приводящее к быстрому ухудшению состояния больных детей и тяжелым последствиям. Заболевания, вызванные нарушением обмена гликогена, составляют группу наследственных энзимопатий, объединенных под названием гликогенозов (Гликогенозы).
Гликогенозы характеризуются избыточным накоплением гликогена в клетках, которое может также сопровождаться изменением структуры молекул этого полисахарида. Гликогенозы относят к так называемым болезням накопления. Гликогенозы (гликогенная ) наследуются по аутосомно-рецессивному или сцепленному с полом типу. Почти полное отсутствие в клетках гликогена отмечают при агликогенозе, причиной которого является полное отсутствие или сниженная активность гликогенсинтетазы печени. Заболевания, вызванные нарушением обмена различных гликоконъюгатов, в большинстве случаев являются следствием врожденных нарушений распада гликолипидов, гликопротеинов или гликозаминогликанов (мукополисахаридов) в различных органах. Они также являются болезнями накопления. В зависимости от того, какое соединение аномально накапливается в организме, различают , гликопротеиноды, . Многие лизосомные гликозидазы, которых лежит в основе наследственных нарушений углеводного обмена, существуют в виде различных форм, так называемых множественных форм, или изоферментов. может быть вызвано дефектом какого-либо одного изофермента. Так, например. болезнь Тея - Сакса - следствие дефекта формы AN-ацетилгексозаминидазы (гексозаминидазы А), в то время как дефект форм А и В этого фермента приводит к болезни Сандхоффа. Большинство болезней накопления протекает крайне тяжело, многие из них пока неизлечимы. при различных болезнях накопления может быть сходной, и, напротив, одно и то же может проявляться по-разному у разных больных. Поэтому необходимо в каждом случае устанавливать ферментный дефект, выявляемый большей частью в лейкоцитах и фибробластах кожи больных. В качестве субстратов применяют гликоконьюгаты или различные синтетические . При различных мукополисахаридозах (Мукополисахаридозы),
а также при некоторых других болезнях накопления (например, при маннозидозе) выводятся с мочой в значительных количествах различающиеся по структуре . Выделение этих соединений из мочи и их идентификацию проводят с целью диагностики болезней накопления. Определение активности фермента в культивируемых клетках, выделенных из амниотической жидкости, получаемой при амниоцентезе при подозрении на болезнь накопления, позволяет ставить пренатальный диагноз. При некоторых заболеваниях серьезные нарушения У. о. возникают вторично. Примером такого заболевания является Диабет сахарный ,
обусловленный либо поражением β-клеток островков поджелудочной железы, либо дефектами в структуре самого инсулина или его рецепторов на мембранах клеток инсулинчувствительных тканей. Алиментарные гипергликемия и ведут к развитию ожирения, что увеличивает липолиз и использование неэтерифицированных жирных кислот (НЭЖК) в качестве энергетического субстрата. Это ухудшает утилизацию глюкозы в мышечной ткани и стимулирует глюконеогенез. В свою очередь, избыток в крови НЭЖК и инсулина ведет к увеличению синтеза в печени триглицеридов (см. Жиры) и Холестерин ы и, соответственно, к увеличению концентрации в крови липопротеинов (Липопротеины) очень низкой и низкой плотности. Одной из причин, способствующих развитию таких тяжелых осложнений при диабете, как катаракта, англопатия и тканей, является . Особенности углеводного обмена у детей.
Состояние У. о. у детей в норме определяется зрелостью эндокринных механизмов регуляции и функций других систем и органов. В поддержании гомеостаза плода важную роль играет поступление к нему глюкозы через плаценту. Количество глюкозы, поступающей через плаценту к плоду, непостоянно, т.к. ее концентрация в крови матери может неоднократно меняться в течение дня. Изменение соотношения инсулин/глюкоза у плода может вызвать у него острые или длительные нарушения обмена веществ. В последнюю треть внутриутробного периода у плода значительно увеличиваются запасы гликогена в печени и мышцах, в этот период глюкогенолиз и глюконеогенез уже имеют для плода существенное значение и как источник глюкозы. Особенностью У. о. у плода и новорожденного является высокая активность процессов гликолиза, позволяющая лучше адаптироваться к условиям гипоксии. Интенсивность гликолиза у новорожденных на 30-35% выше, чем у взрослых; в первые месяцы после рождения она постепенно снижается. О высокой интенсивности гликолиза у новорожденных свидетельствуют высокое содержание лактата в крови и моче и более высокая, чем у взрослых, активность лактатдегидрогеназы (Лактатдегидрогеназа) в крови. Значительная часть глюкозы у плода окисляется по пентозофосфатному пути. Родовой , изменение температуры окружающей среды, появление самостоятельного дыхания у новорожденных, возрастание мышечной активности и усиление деятельности мозга увеличивают расход энергии во время родов и в первые дни жизни, приводя к быстрому снижению содержания глюкозы в крови. Через 4-6 ч
после рождения ее содержание снижается до минимума (2,2-3,3 ммоль/л
), оставаясь на таком уровне в течение последующих 3-4 дней. Повышенное потребление глюкозы тканями у новорожденных и период голодания после родов приводят к усилению гликогенолиза и использованию резервного гликогена и жира. Запас гликогена в печени у новорожденного в первые 6 ч
жизни резко (примерно в 10 раз) сокращается, особенно при асфиксии (Асфиксия) и голодании. Содержание глюкозы в крови достигает возрастной нормы у доношенных новорожденных к 10-14-му дню жизни, а у недоношенных детей устанавливается лишь к 1-2-му месяцу жизни. В кишечнике новорожденных ферментативный лактозы (основного углевода пищи в этот период) несколько снижен и увеличивается в грудномвозрасте. галактозы у новорожденных интенсивнее, чем у взрослых. Нарушения У. о. у детей при различных соматических заболеваниях носят вторичный и связаны с влиянием основного патологического процесса на этот обмена. Лабильность механизмов регуляции углеводного и жирового обмена в раннем детском возрасте создает предпосылки для возникновения гипо- и гипергликемических состояний, ацетонемической рвоты. Так, например, нарушения У. о. при пневмонии у детей раннего возраста проявляются повышением в крови натощак концентраций глюкозы и лактата в зависимости от степени дыхательной недостаточности. Непереносимость углеводов выявляется при ожирении и обусловливается изменением секреции инсулина. У детей с кишечными синдромами часто выявляют нарушение расщепления и всасывания углеводов, при целиакии (см. Глютеновая болезнь) отмечают уплощение гликемической кривой после нагрузки крахмалом, дисахаридами и моносахаридами, а у детей раннею возраста с острыми энтероколитами и соледефицитным состоянием при обезвоживании наблюдают склонность к гипогликемии. В крови детей старшего возраста в норме отсутствуют галактоза, пентозы и дисахариды, у детей грудного возраста они могут появляться в крови после приема пищи, богатой этими углеводами, а также при генетически обусловленных аномалиях обмена соответствующих углеводов или углеводсодержащих соединений; в подавляющем большинстве случаев симптомы таких заболеваний проявляются у детей в раннем возрасте. Для ранней диагностики наследственных и приобретенных нарушений У. о. у детей применяют этапную систему обследования с использованием генеалогического метода (см. Медицинская генетика),
различных скрининг-тестов (см. Скрининг),
а также углубленных биохимических исследований. На первом этапе обследования проводят определение в моче глюкозы, фруктозы, сахарозы, лактозы качественными и полуколичественными методами, проверяют значение рН кала (Кала-азар).
При получении результатов, заставляющих подозревать патологии) У. о., переходят второму этапу обследования: определению содержания глюкозы в моче и крови натощак количественными методами, построению гликемических и глюкозурических кривых, исследованию гликемических кривых после дифференцированных сахарных нагрузок, определению содержания глюкозы в крови после введения адреналина, глюкагона, лейцина, бутамида, кортизона, инсулина; в части случаев осуществляют прямое определение активности дисахаридаз в слизистой оболочки двенадцатиперстной и тонкой кишок и хроматографическую идентификацию углеводов крови и мочи. Для выявления нарушений переваривания и всасывания углеводов после установления значения рН кала определяют к моно- и дисахаридам с обязательным измерением содержания сахаров в кале и их хроматографической идентификацией до и после нагрузочных проб с углеводами При подозрении на энзимопатию (см. Ферментопатии) в крови и тканях определяют активность ферментов У. о., дефект синтеза (или снижение активности) которых подозревают клиницисты. Для коррекции нарушенного У. о. при тенденции к гипергликемии применяют диетотерапию с ограничением жиров и углеводов. При необходимости назначают инсулин или другие гипогликемизирующие препараты; средства, способствующие повышению содержания глюкозы в крови, отменяют. При гипогликемии показана , богатая углеводами и белками. Во время приступов гипогликемии вводят глюкозу, глюкагон, . При непереносимости отдельных углеводов назначают индивидуальную диету с исключением соответствующих сахаров из пищи больных. В случаях нарушений У. о., носящих вторичный характер, необходимо лечение основного заболевания. Профилактика выраженных нарушений У. о. у детей заключается в их своевременном обнаружении. При вероятности наследственной патологии У. о. рекомендуется Медико-генетическое консультирование .
Выраженное неблагоприятное влияние декомпенсации сахарного диабета у беременных женщин на У. о. у плода и новорожденного диктует необходимость тщательной компенсации заболевания у матери на всем протяжении беременности и родов. Библиогр.:
Видершайн Г.Я. Биохимические основы гликозидозов, М., 1980; функций детского организма в норме и патологии, под ред. М.Я. Студеникина и др., с. 33, М., 1978; Комаров Ф.И., Коровкин Б.Ф. и Меньшиков В.В. Биохимические исследования в клинике, с. 407, Л., 1981; Мецлер Д. , пер. с англ., т. 2, М., 1980; Николаев А.Я. Биологическая химия, М., 1989; Розенфельд Е.Л. и Попова И.А. Врожденные нарушения обмена гликогена, М., 1989; Справочник по функциональной диагностике в педиатрии, под ред. Ю.Е. Вельтищева и Н.С. Кисляк, с. 107, М., 1979. реакция образования лактата из глюкозо-6-фосфата в мышцах в условиях отсутствия активности глюкозо-6-фосфатазы"> Рис. 2. Схема распада в организме гликогена до глюкозы; цифрами обозначены реакции, катализируемые следующими ферментами: 1 - фосфорилазой; 2 - амило-1,6-глюкозидазой; 3 - фосфоглюкомутазой; 4 - глюкозо-6-фосфатазой; 5 - α-амилазой; 6 - нейтральными α-глюкозидазами; 7 - кислой α-глюкозидазой α-амилазой); пунктиром обозначена реакция образования лактата из глюкозо-6-фосфата в мышцах в условиях отсутствия активности глюкозо-6-фосфатазы.
1. Малая медицинская энциклопедия. - М.: Медицинская энциклопедия. 1991-96 гг. 2. Первая медицинская помощь. - М.: Большая Российская Энциклопедия. 1994 г. 3. Энциклопедический словарь медицинских терминов. - М.: Советская энциклопедия. - 1982-1984 гг .
Углеводами называются альдегиды или кетоны многоатомных спиртов или их производных.
Углеводы классифицируются на:
1. моносахариды – не подвергаются гидролизу:
Триозы (глицеральдегид, диоксиацетон);
Тетрозы (эритроза);
Пентозы (рибоза, дезоксирибоза, рибулоза, ксилуоза);
Гексозы (глюкоза, фруктоза, галактоза).
2. олигосахариды – состоят из 2–12 моносахаридов, соединенных между собой гликозидными связями (мальтоза – 2 глюкозы, лактоза – галактоза и глюкоза, сахароза – глюкоза и фруктоза);
3. полисахариды:
Гомополисахариды (крахмал, гликоген, клетчатка);
Гетерополисахариды (сиаловая кислота, нейраминовая кислота, гиалуроновая кислота, хондроитинсерная кислота, гепарин).
Углеводы входят в состав клеток животных (до 2%) и растений (до 80%).
Биологическая роль:
1. энергитическая. На долю углеводов приходится около 70% всей калорийности. Суточная потребность для взрослого человека – 400-500 г. При окислении 1 г углеводов до воды и углекислого газа выделяется 4,1 ккал энергии;
2. структурная. Углеводы используются как пластический материал для образования структурно-функциональных компонентов клеток. К ним относятся пентозы нуклеиновых кислот, углеводы гликопротеинов, гетерополисахариды межклеточного вещества;
3. резервная. Могут откладываться про запас в печени, мышцах в виде гликогена;
4. защитная. Гликопротеины принимают участие в образовании антител. Гетерополисахариды участвуют в образовании вязких секретов (слизи), покрывающих слизистые оболочки ЖКТ, дыхательных и мочеполовых путей. Гиалуроновая кислота играет роль цементирующего вещества соединительной ткани, препятствующего проникновению чужеродных тел;
5. регуляторная. Некоторые гормоны – гликопротеины (гипофиза, щитовидной железы);
6. участвуют в процессах узнавания клеток (сиаловая и нейраминовая кислоты);
7. определяют группу крови, входя в состав оболочек эритроцитов;
8. участвуют в процессах свертываемости крови, входя в состав гликопротеинов крови, фибриногена и протромбина. Так же предупреждает свёртываемость крови, входя в состав гепарина.
Основным источником углеводов для организма служат углеводы пищи, главным образом крахмал, сахароза и лактоза.
Крахмал – это смесь двух гомополисахаридов: линейного (амилоза от 10% до 30%) и разветвленного (амилопектин от70% до 90%) строения. Крахмал содержится в основных продуктах питания: картофель до 10%, крупы – 70-80%.
Остатки глюкозы соединяются в амилозе и линейных цепях амилопектина с помощью -1,4-гликозидных связей, а в точках ветвления амилопектина - с помощью -1,6-гликозидных связей.
Крахмал, поступая с пищей в ротовую полость, после механической обработки будет подвергаться гидролизу с помощью -амилазы слюны. Этот фермент является эндоамилазой, расщепляющей -1,4-гликозидные связи. Оптимальный рН фермента находится в слабощелочной среде (рН=7-8). Поскольку пища в ротовой полости долго не находится, крахмал здесь подвергается лишь частичному гидролизу с образованием амилодекстринов.
Далее пища идёт в желудок. Слизистая оболочки желудка гликозидазы (ферменты, расщепляющие углеводы) не вырабатываются. В желудке среда резко кислая (рН=1,2-2,5) ,поэтому действие -амилазы слюны прекращается, но в более глубоких слоях пищевого комка, куда не сразу проникает желудочный сок, действие фермента слюны продолжается и крахмал успевает пройти стадию гидролиза - эритродекстринов.
Основным местом переваривания крахмала служит тонкий кишечник. Здесь происходят наиболее важные стадии гидролиза крахмала. В двенадцатиперсной кишке, куда открывается проток поджелудочной железы, под действием ферментов ПЖЖ (-амилазы, амило-1,6-гликозидазы и олиго-1,6-гликозидазы) будет идти гидролиз крахмала. Выделяющийся сок поджелудочной железы содержит бикарбонаты, которые участвуют в нейтрализации кислого желудочного содержимого. Образующийся при этом углекислый газ способствует перемешиванию пищевого комка, создаётся слабощелочная среда (рН=8-9). Образующиеся катионы натрия и калия способствуют активации панкреатических гидролаз (-амилаза, амило-1,6-гликозидаза, олиго-1,6-гликозидаза). Эти ферменты завершают гидролитический разрыв внутри гликозидных связей, начатых -амилазой слюны.
Эритродекстрины превращаются в ахродекстрины. Под влиянием -амилазы панкреатического сока завершается разрыв внутренних -1,4-гликозидных связей в крахмале с образованием мальтозы. -1,6-гликозидные связи в точках ветвления гидролизуются под действием амило-1,6-гликозидазы и олиго-1,6-гликозидазы, которая является терминальной (последней) в этом процессе.
Т.о. три панкреатических фермента завершают гидролиз крахмала в кишечнике с образованием мальтоз. Из тех глюкозных остатков, которые в молекуле крахмала были соединены с помощью -1,6-гликозидных связей, образовались дисахариды – изомальтозы.
Слизистая оболочка тонкой кишки (энтероциты) синтезирует мальтазы (изомальтазы), лактазы и сахаразы. Образующиеся в результате гидролиза мальтоза, изомальтоза являются временным продуктом гидролиза, и в клетках кишечника они быстро гидролизуются под влиянием кишечных мальтазы, изомальтазы на две молекулы глюкозы. Т.о. в результате гидролиза крахмала в органах пищеварения образуется конечный продукт – глюкоза.
В составе пищи кроме полисахаридов поступают и дисахариды (лактоза и сахароза), которые подвергаются гидролизу только в тонком кишечнике. В энтероцитах синтезируются специфические ферменты: лактаза и сахараза, которые осуществляют гидролиз этих дисахаридов с образованием глюкоз, галактоз и фруктоз. Продукты полностью перевариваются. Углеводы - моносахариды всасываются в кровь и на этом завершается начальный этап обмена углеводов в организме человека - пищеварение.
Было установлено, что для всасывания моносахаридов (глюкозы) в кровь необходимо наличие в энтероцитах:
В цитоплазме - ионов калия, натрия, АТФ и воды.
В биомембранах - специфических белков–переносчиков и фермента - АТФ-азы.
90% образовавшейся в результате гидролиза крахмала глюкозы всасывается в кровь и через систему воротной вены поступает в печень, где депонируется в виде резервного полисахарида - гликогена. Около 10% всасывающихся в кровь моносахаридов попадает в большой круг кровообращения, разносится к органам и тканям, которые используют их в метаболических реакциях.
С пищей в организм человека поступает клетчатка – полисахарид, состоящий из остатков -D- глюкопиранозы. В ЖКТ человека она гидролизу не подвергается, поскольку не вырабатываются -гликозидазы, которые расщепляют её до глюкозы.
Биологическая роль клетчатки:
1. формирует пищевой комок;
2. продвигаясь по ЖКТ она раздражает слизистую оболочку, усиливая секрецию пищеварительных желез;
3. усиливает перистальтику кишечника;
4. нормализует кишечную микрофлору.
Достигая толстого отдела кишки, она под действием ферментов микрофлоры подвергается частичному сбраживанию с образованием глюкозы, малата, газообразных веществ. Глюкозы образуется мало, но она всасывается в кровь.
Биологический синтез гликогена
Установлено, что гликоген образуется почти во всех клетках организма, однако наибольшее содержание гликогена обнаружено в печени (2-6%) и в мышцах (0,5-2%). Т.к. общая мышечная масса организма человека велика, то большая часть всего гликогена содержится в мышцах.
Глюкоза из крови легко поступает в клетки организма и в ткани, легко проникая через биологические мембраны. Инсулин обеспечивает проницаемость мембран, это единственный гормон, обеспечивающий транспорт глюкозы в клетки органов и тканей. Как только глюкоза поступает в клетку, она сразу же как бы запирается в ней. В результате первой метаболической реакции, катализируемой ферментом гексакиназой в присутствии АТФ, глюкоза превращается в фосфорный эфир – глюкозо-6-фосфат, для которого клеточная мембрана не проницаема. Глюкозо-6-фосфат теперь будет использоваться клеткой в метаболических реакциях (анаболизм, катаболизм). Из клетки глюкоза может обратно выйти в кровь только после гидролиза под действием фосфатазы (глюкозо-6-фосфатазы). Этот фермент есть в печени, почках, в эпителии кишечника, в других органах и тканях его нет, следовательно, проникновение глюкозы в клетки этих органов и тканей необратимо.
Процесс биосинтеза гликогена можно записать в виде 4-х стадий:
глюкоза (гексакиназа, АТФАДФ) глюкозо-6-фосфат (фосфоглюкомутаза) глюкозо-1-фосфат (глюкозо-1-фосфат-уридин трансфераза) УДФ-глюкоза (гликоген-синтетаза, + n) n+1 (это наращенный гликоген) +УДФ
Затем УДФ+АТФ(нуклеозиддифосфаткиназа) УТФ+АДФ. Т.о. на присоединение 1 молекулы глюкозы тратмтся 2 молекулы АТФ.
Гликогенсинтаза является трансферазой, которая переносит остатки глюкозы, входящие в УДФ-глюкозу на гликозидную связь остаточного в клетке гликогена. При этом образуются -1,4- гликозидные связи. Образование -1,6-гликозидных связей в точках ветвления гликогена катализирует специальный фермент гликогенветвящий.
Гликоген в клетках печени накапливается во время пищеварения, и рассматривается как резервная форма глюкозы, которая используется в промежутках между приёмами пищи.
Распад гликогена
Он может идти двумя путями:
1. Основной – фосфоролитический - протекает в печени, почках, эпителии кишечника.
Схематически его можно записать в виде 3-х стадий:
а) n (это гликоген) (фосфорилаза А, +Н 3 РО 4) глюкозо-1-фосфат + n-1
б) глюкозо-1-фосфат (фосфоглюкомутаза) глюкозо-6-фосфат
в) глюкозо-6-фосфат (глюкозо-6-фосфатаза, +Н 2 О) глюкоза + Н 3 РО 4
2. Не основной – амилолитический. его доля мала и незначительна. Протекает в клетках печени при участии:
- -амилазы слюны, расщепляющей -1,4-гликозидные связи;
Амило-1,6-гликозидазы, расщепляющей -1,6-гликозидные связи в точках ветвления гликогена;
- -амилазы, которая последовательно отрывает концевые остатки глюкозы от боковых цепей гликогена.
Гликогеновые болезни
Гликогеновые болезни - наследственные нарушения обмена гликогена, которые связаны с недостаточностью какого–либо фермента, участвующего в синтезе или распаде гликогена. Как правило, эта недостаточность выражена в снижении активности или полном отсутствии фермента.
Различают гликогенозы – болезни, связанные с нарушением процесса распада гликогена. При этом клетки печени, мышц, почек накапливают большое количество гликогена, что ведет к разрушению клеток. У больных наблюдается увеличение печени, гипоглюкоземия натощак, мышечная слабость. Обычно такие больные умирают в раннем возрасте. Наиболее часто встречаются следующие гликогенозы:
Болезнь Герса, связанная с недостаточной активностью или отсутствием фосфорилазы печени;
Болезнь Мак-Ардля, -//- фосфорилазы мышц;
Болезнь Помпе, -//- -1,4-гликозидазы;
Болезнь Гори, -//- амило-1,6-гликозидазы;
Болезнь Гирке, -//- глюкозо-6-фосфатазы.
Агликогенозы – заболевания, которые характеризуются нарушением синтеза гликогена. У больных: гипогликемия натощак, судороги, рвота, потеря сознания, постоянное углеводное голодание мозга приводит к отставанию умственного развития. Больные погибают в раннем возрасте. Наиболее часто встречаются следующие агликогенозы:
Болезнь Льюиса, связанная с нарушением выработки или полным отсутствием гликогенсинтазы;
Болезнь Андерсена, -//- гликогенветвящего фермента.
Пути катаболизма глюкозы
В зависимости от функционального состояния клеток органов и тканей, они могут находиться в условиях достаточного снабжения кислородом или испытывать его недостаток, находиться в условиях гипоксии.
Следовательно, катаболизм глюкозы в организме можно рассматривать с двух позиций: в аэробных и анаэробных условиях.
Анаэробный путь распада глюкозы в тканях называется гликолизом, если в анаэробных условиях распадается глюкозный остаток гликогена, то этот процесс называется гликогенолизом. Оба эти процесса протекают в цитоплазме клеток. Конечным продуктом окисления будет являться молочная кислота. В процессе окисления будет выделяться энергия за счет реакций субстратного фосфорилирования. Основная биологическая роль – энергетическая. Окисление глюкозы и глюкозного остатка гликогена в тканях отличается только в начальных стадиях превращения, до образования глюкозо-6-фосфата. Схематически это можно представить как:
глюкоза (гексакиназа, АТФАДФ) глюкозо-6-фосфат;
N (это гликоген) (фосфорилаза А, +Н 3 РО 4) глюкозо-1-фосфат + n-1
глюкозо-1-фосфат (фосфоглюкомутаза) глюкозо-6-фосфат
Основные стадии гликолиза и гликогенолиза:
Процесс гликолиза сложный и многоступенчатый. Условно его можно разделить на 2 стадии.
1 стадия – завершается образованием глицеральдегид-3-фосфата. 2 стадия – называется стадией гликолитической оксидоредукцией. Она сопряжена с образованием АТФ за счет реакций субстратного фосфорилирования, окислением глицеральдегид-3-фосфата и восстановлением пирувата в лактат.
гексакиназа ↓ АТФАДФ
глюкозо-6-фосфатизомераза ↓
фосфофруктокиназа ↓ АТФАДФ
альдолаза ↓
Фосфодиоксиацетон под действием изомеразы может превращаться в глицеральдегид-3-фосфат.
2 стадия. На ней перед всеми формулами ставим 2, т.к. фосфодиоксиацетон изомеризовался и получилось 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата:
дегидрогеназа, +Н 3 РО 4 ↓ НАДНАДН 2
дифосфоглицераткиназа ↓ АДФАТФ
фосфоглицеромутаза ↓
енолаза ↓
фосфоенолпируваткиназа ↓ АДФАТФ
ЛДГ ↓ НАДН 2 НАД
Т.о. анаэробные превращения глюкозы в тканях завершается образование молочной кислоты. В процессе превращения глюкозы было израсходовано 2 молекулы АТФ для фосфорилирования глюкозы и фруктоза-6–фосфата (гексакиназная реакция и фосфофруктокиназная реакция).
С этапа образования триоз (альдолазная реакция) идет одновременная их окисление, в результате этих реакций образуется энергия в виде АТФ за счет реакций субстратного фосфорилирования (фосфоглицераткиназная и пируваткиназная реакции).
На этапе гликолитической оксидоредукции идет окисление гицеральдегид-3-фосфата в присутствии Н 3 РО 4 и НАД-зависимой дегидрогеназы, которая при этом восстанавливается до НАДН 2 .
Митохондрии в анаэробных условиях блокированы, поэтому выделяемый в процессе окисления НАДН 2 находиться в среде до тех пор, пока не образуется субстрат, способный принять его. ПВК принимает НАДН 2 и восстанавливается с образованием лактата, завершая тем самым внутренний окислительно-восстановительный цикл гликолиза. НАД-окисленный выделяется и вновь может принимать участие в окислительном процессе, выполняя роль переносчика водорода.
Три реакции гликолиза являются необратимыми:
Гексакиназная реакция;
Фосфофруктокиназная реакция;
Пируваткиназная реакция.
Энергетический эффект гликолиза (гликогенолиза):
АТФ(глюкоза)=(2*2)–2=2
АТФ(гликоген)=(2*2)–1=3
Биологическая роль гликолиза – энергетическая. Гликолиз является единственным процессом в клетке, способным поставлять энергию в форме АТФ в бескислородных условиях. В кризисных ситуациях, когда клетки органов и тканей по каким то причинам находятся в анаэробных условиях, гликолиз является единственным источником скорой энергетической помощи для сохранения жизнедеятельности клеток, а в эритроцитах, где митохондрии отсутствуют, гликолиз вообще является единственным процессом, продуцирующим АТФ и поддерживающим их функции и целостность.
Гексозодифосфатный путь превращения углеводов в тканях
В аэробных условиях, когда в ткани в достаточном количестве поступает кислород, происходит подавление гликолиза. При этом уменьшается потребление глюкозы, блокируется образование лактата. Эффект подавления гликолиза дыханием получил название эффекта Пастера.
Глюкоза в аэробных условиях сгорает в клетках с образованием конечных продуктов - воды и углекислого газа. При окислении 1 моль глюкозы будет выделено 38 молекул АТФ, а при окислении 1 глюкозного остатка гликогена – 39 молекул.
Химизм реакций превращения глюкозы такой же, как и в аэробных условиях, но только до стадии образования пирувата.
Превращение глюкозы до пирувата протекает в цитоплазме, затем пируват поступает в митохондрии, где подвергается окислительному декарбоксилированию. Образовавшийся при этом АцКоА в дальнейшем окисляется в митохондриях с участием ферментов ЦТК и сопряженных с ними ферментов дыхательной цепи (ЦПЭ).
Реакция окислительного декарбоксилирования ПВК осуществляется при участии ряда ферментов и кофакторов:
1. дегидрогеназ (НАД, ФАД);
3. ацилтрансфераз (HS-KoA);
4. липоевой кислоты (ЛК), участвующей в переносе углекислого газа.
СН 3 -СО-СООН (это ПВК) (пируватдегидрогеназа, НАД, ФАД, HS-KoA, ТПФ, ЛК) СО 2 +НАДН 2 +Н 2 О +3АТФ +СН 3 -С(О)-SKoA (это АцКоА, он поступает в ЦТК).
При окислении глюкозы в аэробных условиях энергия выделяется за счет реакций :
1. субстратного фосфорилирования на этапах превращения 1,3-дифосфоглицериновой кислоты, фосфоенол-ПВК, сукцинил-КоА;
2. за счет реакций окислительного фосфорилирования на этапах превращения глицеральдегид-3-фосфата, ПВК, изоцитрата, -кетоглутаровой кислоты, сукцината, малата.
Энергетический эффект окисления:
АТФ (глюкозы)=2*(3+1+1+3+12)-2=38
АТФ (гликогена)=2*(3+1+1+3+12)-1=39
Конечные продукты образуются:
Углекислый газ на этапах превращения пирувата, оксалосукцината, -кетоглутаровой;
Вода образуется на этапах превращения: глицеральдегид-3-фосфата, 2-фосфоглицериновой кислоты, пирувата, изоцитрата, -кетоглутаровой кислоты, сукцината, малата.
Т.о. в отличие от анаэробного пути, аэробный путь окисления глюкозы является энергитически более эффективным и является основным путем обеспечения клеток энергией. При этом окисление идет с образованием конечных продуктов – углекислого газа и воды.
Гексозомонофосфатный путь превращения углеводов в тканях
Гексозомонофосфатный путь превращения углеводов в тканях (пентозофосфатный путь, апотолический путь) протекает в цитоплазме клеток органов и тканей и представлен двумя последовательными ветвями: окислительной и неокислительной.
Активность этого пути превращения глюкозы зависит от типа ткани и ее функционального состояния. Особенно активно глюкоза окисляется по этому пути в тканях и органах, где синтезируется много липидов: печень, кора надпочечников, жировая ткань, молочные железы. Биологическая роль этого пути связана, прежде всего, с производством 2-х веществ:
1. рибозо-5-фосфата и его производных, которые используется в клетках для биосинтеза важнейших биологических молекул: АТФ, ГТФ, HSKoA, НАД, ФАД и нуклеиновых кислот (ДНК, РНК);
2. НАДФ·Н 2 , которые в отличие от НАД·Н 2 не окисляется в дыхательной цепи митохондрии, а используется как источник протонов и электронов для синтеза веществ, включающего реакции восстановления (ВЖК, холестерина, желчных кислот, стероидных гормонов, витамина D 3). НАДФН 2 используется для обезвреживания ядов и токсических веществ (в реакции связывания аммиака при восстановительном аминировании -кетокислот).
Этот путь является единственным поставщиком пентоз для работающих клеток тканей и органов, и на 50% покрывает потребность в НАДФН 2 , следовательно основная биологическая роль этого пути – анаболическая.
Окислительная стадия пентозного пути превращения глюкоза отличается от классического гексозодифосфатного пути с этапа превращения глюкозы-6-фосфата и включает 5 реакций:
глюкозо-6-фосфат (глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, НАДФНАДФН 2) 6-фосфоглюкозолактон (лактоназа, +Н 2 О) 6-фосфоглюконовая кислота (дегидрогеназа 6-фосфоглюконовой кислоты, НАДФНАДФН 2) 3-кето-6-фосфоглюконовая кислота (декарбоксилаза, -СО 2) рибулозо-5-фосфат (изомераза) рибозо-5-фосфат (эпимераза) ксилуозо-5-фосфат
При определённых условиях на этом заканчивается окислительная стадия пентозного цикла. Между пентозами устанавливается подвижное равновесие: рибулозо-5-фосфат (изомераза) рибозо-5-фосфат (эпимераза) ксилуозо-5-фосфат
Однако в ряде случаев, когда в клетках отмечается дефицит кислорода, может протекать неокислительная стадия пентозного цикла. Основными реакциями этого этапа являются 2 транскетолазные реакции и одна трансальдолазная. Все они обратимы. В результате этих реакций образуются субстраты для гликолиза (фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат), а также вещества, характерные для пентозного пути превращения глюкозы. Схематически неокислительную стадию пентозного цикла можно записать так:
1. транскетолазные реакции:
а) ксилуозо-5-фосфат+рибозо-5-фосфа(ТПФ) седогептулозо-7-фосфат+ глицеральдегид-3-фосфат;
б) ксилуозо-5-фосфат+эритрозо-4-фосфат(ТПФ) фруктозо-6-фосфат+ глицеральдегид-3-фосфат;
2. трансальдолазная реакция:
судогептулозо-7-фосфат+ глицеральдегид-3-фосфат фруктозо-6-фосфат+ эритрозо-4-фосфат
Баланс окислительной и неокислительной стадий гексозомонофосфатного пути превращения глюкозы в тканях можно записать в виде суммарного уравнения реакции:
6 глюкозо-6-фосфат+ 7Н 2 О+ 12НАДФ 5 глюкозо-6-фосфат+ 6СО 2 +12НАДФН 2 +Фн
Глюконеогенез и другие источники глюкозы для организма человека
Глюкоза является основным углеводом крови. Её концентрация в течение суток колеблется в зависимости от энергозатрат и частоты приемов пищи, содержания углеводов в пище. Для взрослого человека содержание глюкозы в крови составляет от 3,3 до 5,5 ммоль/л. Поддерживается концентрация глюкозы в крови за счет процесса биосинтеза и распада гликогена, глюконеогенеза и за счет углеводов пищи.
Глюконеогенез - это процесс образования глюкозы из неуглеводных предшественников, которыми являются продукты распада белков, липидов и углеводов. Основными являются пируват, лактат. Промежуточными могут быть метаболиты ЦТК, а так же глицерин и АК. Ряд АК (АСП, ТИР, ФЕН, ТРЕ, ВАЛ, МЕТ, ИЛЕ, ГИС, ПРО, АРГ) тем или иным путем превращаются в метаболиты ЦТК – фумаровую кислоту, которая в дальнейшем превращается в ЩУК. Другие АК (ГЛИ, АЛА, ЦИС, СЕР) превращаются в пируват.
Глюконеогенез возможен не во всех тканях. Главным местом синтеза глюкозы является печень, в меньшей степени почки и слизистая оболочка кишечника.
Биологическая роль глюконеогенеза заключается не только в синтезе глюкозы, но и в возвращении лактата в клеточный фонд углеводов. За счет этого процесса поддерживается уровень глюкозы в крови при углеводном голодании и сахарном диабете. Этот путь является единственным, который поддерживает биоэнергетику жизненно важных тканей в кризисных ситуациях.
Большинство реакций глюконеогенеза представляют собой обратимые реакции гликолиза, за исключением 3-х, которые являются термодинамически необратимыми.:
1. гексакиназной;
2. фосфофруктокиназной;
3. пируваткиназной.
Эти реакции гликолиза имеют при глюконеогенезе обходные пути, которые связаны с образованием фосфоенолпирувата, фруктозо-6-фосфата и глюкозы.
Обходные реакции гликолиза:
Первая обходная реакция глюконеогенеза связана с образованием фосфоенолпирувата. Она протекает в 2 стадии. Сначала в результате реакции карбоксилирования пируват превращается в ЩУК. Эта реакция протекает в митохондриях, куда ПВК поступает из цитозоля. ЩУК в митохондриях восстанавливается в малат под действием МДГ (НАДН 2). Мембраны митохондрий не проницаемы для ЩУК, малат же легко выходит в цитозоль, где окисляясь снова превращается в ЩУК. ЩУК в дальнейшем принимает участие в глюконеогенезе, вступая в реакции декарбоксилирования и фосфорилирования. Донором фосфатного остатка служит ГТФ, но может быть и АТФ.
а) CH 3 -CO-COOH (это ПВК) (пируваткарбоксилаза (биотин), +СО 2 , +АТФ, +Н 2 О) СООН-СО-СН 2 -СООН (это ЩУК) +АДФ +Фн;
б) СООН-СО-СН 2 -СООН (это ЩУК)(фосфоеноилпируваткарбоксикиназа, +ГТФ, +Н 2 О) СООН-С(О~РО 3 Н 2)=СН 2 + СО2 +ГДФ.
Вторая реакция связана с образованием фруктозо-6-фосфата:
фруктоза-1,6-дифосфат (фосфатаза, +Н 2 О) фруктоза-6-фосфат+ Фн
Третья реакция связана с образованием глюкозы:
глюкозо-6-фосфат (фосфатаза, +Н 2 О) глюкоза+ Фн
Образовавшаяся в процессе глюконеогенеза глюкоза может вновь поступать в клетки органов и тканей и принимать участие в метаболизме (использоваться в тканях как энергетический субстрат, откладываться про запас в виде гликогена, участвовать в анаболических реакциях).
В организме взрослого человека массой 70 кг, главным образом в печени, за сутки образуется около 80 гр. глюкозы.
Патология углеводного обмена
Нарушения углеводного обмена могут быть на различных этапах обмена веществ. Основными показателями нарушения является изменение концентрации глюкозы в крови (гипер-, гипоглюкоземия) и появление глюкозы в моче (глюкозурия). Концентрация глюкозы в крови взрослого здорового человека в норме составляет 3,3-5,5 ммоль/л. Появление глюкозы в моче возможно в случае превышения величины почечного порога, который для глюкозы составляет 10 ммоль/л.
Основными причинами развития нарушения углеводного обмена являются:
1. алиментарные. Употребление пищи, богатой углеводами, ведет к быстрому переполнению гликогенного резерва печени, мышц, развитию гиперглюкоземии, глюкозурии. При снижении двигательной активности происходит снижение окислительных процессов и усиление биосинтеза жиров в тканях, что ведет к развитию алиментарного ожирения;
2. при поражении слизистых оболочек ЖКТ. При этом в желудке нарушается образование HCl (гипохлоргидрия или ахлоргидрия), поступающие углеводы сбраживаются под влиянием ферментов микрофлоры с образованием лактата, а белки подвергаются гниению. Это создает благоприятные условия для развития микрофлоры и приводит к расстройству пищеварения в целом. При поражении слизистой тонкого кишечника нарушается гидролиз дисахаридов или всасывание продуктов гидролиза;
3. при поражении печени нарушается биосинтез и распад гликогена, глюконеогенез;
4. при поражении поджелудочной железы нарушается секреция ферментов (-амилаз, олиго-1,6-гликозидаз), участвующих в гидролизе крахмала и гликогена.
Наиболее грозным заболеванием ПЖЖ является сахарный диабет. При этом поражаются В-клетки, они перестают вырабатывать гормон инсулин. Инсулин – единственный гормон, обеспечивающий транспорт глюкозы в клетки органов и тканей. В случае недостаточной его выработки или отсутствия вообще происходит нарушение биоэнергетики клеток, органов и тканей. В этом случае интенсивному окислению подвергаются белки и липиды, что сопровождается избыточной продукцией аммиака и Ац-КоА.
Для связывания токсичного аммиака отвлекаются кетокислоты (ЩУК и -кетоглутаровая) из ЦТК, их концентрация резко падает, что приводит к снижению интенсивности окислительных процессов. ЦТК не в состоянии окислить все молекулы ацетил-КоА, образование которых увеличивается с усилением окисления белков и липидов. Создаются условия для их конденсации с образованием кетоновых тел. При сахарном диабете в крови наблюдается гиперкетонемия (норма - до 0,1 г/л) и кетонурия.
2СН 3 -СОSKoA (это ацетил-КоА) (Ац-КоА-трансфераза) ацетоацетил-КоА (деацилаза, +Н 2 О, -HS-KoA) ацетоуксусная кислота.
Ацетоуксусная кислота может превращаться в -гидроксимасляную кислоту, при этом НАДН 2 НАД. Также она может превращаться в ацетон с отщеплением СО 2 .
Наследственные заболевания, как правило, связаны с нарушением синтеза ферментов, участвующих в метаболизме углеводов. Например, алактазия - неусвояемость углеводов молока (лактозы). Это связано с отсутствием фермента – лактазы, поэтому поступающие с молоком дисахариды не усваиваются. У детей проявляется в виде рвоты, тошноты, поноса, вздутия живота, происходит обезвоживание организма. Лечение: исключение лактозы из пищи и замещение на мальтозу, сахарозу, глюкозу.
Другая группа заболеваний может быть связана с наследственными нарушениями обмена гликогена:
1. гликогенозы, связанные с недостаточным количеством ферментов, участвующих в распаде гликогена (болезнь Гирке, Кори);
2. агликогенозы – заболевания, связанные с нарушением синтеза гликогена (болезнь Льюиса. Андерсона и т.д.).
Липиды
Липиды – это сложные органические вещества биологической природы, не растворимые в воде, но растворимые в органических растворителях .
Все липиды делятся на простые и сложные . Простые: триглицериды, стерины, стериды и воски. Сложные: фосфолипиды, гликолипиды. Фосфолипиды делятся на сфинголипиды и глицерофосфолипиды. К глицерофосфолипидам относятся: фосфатидилхолин, фосфатидилсерин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилинозит и плазмогены (ацетальфосфатиды). К гликолипидам: цереброзиды, ганглиозиды, сульфатиды.
Наряду с белками и углеводами, липиды являются основными продуктами питания. В организме человека они поступают с продуктами растительного и животного происхождения. Суточная потребность взрослого человека составляет 80-100 г. Липиды составляют 10-20% от массы тела. В среднем в теле взрослого человека содержится 10-12 кг. липидов. Из них 25% приходится на структурные липиды, остальные относятся к резервным. Установлено, что 98% резервных липидов находится в жировой ткани.
Резервные липиды (жиры) представлены триглицеридами (ТГ). Они используются для энергетических нужд организма. Важнейшими ТГ являются эфиры глицерина и ВЖК. ВЖК могут быть как предельными (пальмитиновая С 15 Н 31 СООН, стеариновая С 17 Н 35 СООН), так и непредельными (олеиновая С 17 Н 33 СООН, линолевая С 17 Н 31 СООН, линоленовая С 17 Н 29 СООН, арахидоновая С 19 Н 31 СООН).
Фосфолипиды (ФЛ), гликолипиды являются структурными компонентами биологических мембран клеток, они не имеют такой энергетической ценности, как ТГ. Они, как и стерины (холестерин - ХС) относятся к структурным липидам.
ХС является предшественником ряда биологически активных веществ (БАВ), например стероидных гормонов (эстрогенов, андрогенов, минерало- и глюкокортикоидов), витаминов группы D и желчных кислот. Арахидоновая кислота (С 19 Н 31 СООН), входя в состав ФЛ, может принимать участие в образовании гормоноподобных веществ (простагландинов, лейкотриенов).
Биологическая роль липидов:
1. структурная – входят в состав биомембран клеток (ФЛ, ГЛ, холестерин);
2. резервная – нейтральные жиры могут откладываться про запас в жировое депо;
3. энергетическая – при окислении 1 г липидов до воды и углекислого газа выделяется 9,3 ккал энергии. На долю липидов приходится примерно 50% всей калорийности;
4. механическая – входя в состав соединительной ткани, подкожной жировой клетчатки, липиды предохраняют внутренние органы от повреждения при механических травмах;
5. теплоизолирующая роль – входя в состав подкожной жировой клетчатки, липиды предохраняют органы от перегревания и переохлаждения;
6. транспортная – входя в состав биомембран клеток, липиды участвуют в транспорте веществ (катионов);
7. регуляторная – все стероидные гармоны являются липидами. Гармоноподобные вещества (простагландины и лейкотриены) образуются из липидов;
8. выполняет роль смазочного материала для кожи, предохраняют её от сухости и растрескивания;
9. участвуют в передаче нервных импульсов;
10. липиды являются основным источником эндогенной воды - при окислении 100 г липидов образуется 107 мл эндогенной воды (из 100 г углеводов 57 мл воды, а из 100 г белков – 41 мл воды);
11. растворяющая – желчные кислоты, являясь стеринами, участвуют в растворении жирорастворимых витаминов А, Д, Е и К;
12. питательная роль – с пищей в организм поступают незаменимые ВЖК, которые имеют 2 и более двойных связей.
Незаменимые ВЖК в организме не синтезируются, но их роль велика:
1. они являются обязательным структурным компонентом биомембран;
2. препятствуют всасыванию холестерина в кишечнике;
3. стимулируют синтез желчных кислот в печени;
4. тормозят образование ЛПОНП, предупреждая развитие атеросклероза;
5. понижают свёртывание крови и понижают возможность тромбообразования;
6. повышают защитные силы организма;
7. предупреждают развитие кожных заболеваний;
8. являются источником гормоноподобных веществ.
Богаты ненасыщенными ВЖК растительные масла, в которых их содержание составляет 50-55%. Для полного удовлетворения суточной потребности взрослому человеку достаточно получать 15-20 г этих масел.