Лекции по "Химии"

1. Энергетическая. Углеводы  служат источником энергии. За  счет их окисления удовлетворяется примерно половина всей потребности человека в энергии. При окислении 1 г углеводов выделяется около 16,9 кДж энергии.

2. Резервная. Крахмал  и гликоген представляют собой  форму хранения питательных веществ,  выполняя функцию временного  депо глюкозы.

3. Структурная. Целлюлоза  и другие полисахариды растений  образуют прочный остов; в комплексе  с белками и липидами они  входят в состав биомембран  всех клеток.

4. Защитная. Кислые гетерополисахариды  выполняют роль биологического  смазочного материала, выстилая трущиеся поверхности суставов, слизистой пищеварительных путей, носа, бронхов, трахеи и др.

5. Антикоагулянтная. Гепарин  обладает важными биологическими  свойствами, в частности препятствует  свёртыванию крови. 

6. Углеводы являются  источником углерода, который необходим для синтеза белков, нуклеиновых кислот, липидов и других соединений.

Источником углеводов  для организма служат углеводы пищи (крахмал, сахароза, лактоза, глюкоза). Глюкоза может синтезироваться  в организме из аминокислот, глицерина, пирувата и лактата (глюконеогенез).

Раздел 9.2

Переваривание углеводов  в желудочно-кишечном тракте.

Процесс переваривания  углеводов представлен на схеме (рисунок 9.2).

 

Рисунок 9.2. Переваривание  углеводов в желудочно-кишечном тракте.

Гидролиз крахмала начинается в ротовой полости. В слюне содержится фермент амилаза, частично расщепляющая крахмал. Основное место переваривания крахмала - тонкий кишечник. Туда поступает амилаза сока поджелудочной железы. Продуктом действия амилазы является мальтоза. Мальтоза далее расщепляется с помощью мальтазы до глюкозы, дисахарид лактоза (содержащаяся в молоке) расщепляется с помощью лактазы до глюкозы и галактозы. Дисахарид сахароза (содержащаяся в пищевом сахаре) расщепляется с помощью сахаразы до глюкозы и фруктозы.

Продукты полного переваривания углеводов - глюкоза, галактоза и фруктоза - через клетки кишечника поступают в кровь путем облегченной диффузии и активного транспорта.

Основные пути метаболизма  углеводов в тканях. После всасывания из желудочно-кишечного тракта моносахариды поступают через систему портальной вены в печень. В гепатоцитах происходит превращение галактозы и фруктозы в глюкозу. Таким образом, глюкоза является основным моносахаридом, который поступает в общий кровоток после прохождения углеводов через печень.

Содержание глюкозы  в крови здорового человека составляет 3,33 – 5,55 ммоль/л. Глюкоза поглощается  из крови клетками всех тканей и  органов.

Избыток глюкозы может  откладываться в клетках в  виде гликогена – резервного полисахарида с разветвлённой структурой.

Окисление глюкозы может  происходить дихотомическим и апотомическим  путём. Дихотиомическое окисление  может происходить без участия  кислорода (до молочной кислоты) и при  участии кислорода (до СО2 и Н2О). Промежуточные  продукты окисления глюкозы, кроме того, могут быть использованы для синтеза глицерола, жирных кислот, аминокислот и нуклеотидов.

В клетках различных  тканей интенсивность протекания перечисленных  путей обмена глюкозы может быть различной. Эти различия определяются прежде всего функциональными особенностями этих тканей.

Раздел 9.3

Анаэробное окисление  глюкозы.

Гликолиз – это  ферментативный распад глюкозы до молочной кислоты (лактата). Гликолиз протекает  в тканях без потребления кислорода. В анаэробных условиях гликолиз –  единственный процесс, поставляющий АТФ, так как окислительное фосфорилирование в этих условиях не функционирует.

Гликолиз протекает  в цитоплазме клеток организма. Этот процесс катализируется одиннадцатью ферментами. Условно можно разделить  гликолиз на две стадии.

 

Рисунок 9.3. Реакции первой стадии гликолиза.

Первая стадия гликолиза  включает реакции превращения молекулы глюкозы в две молекулы фосфотриоз. Эта стадия сопровождается затратой молекул АТФ.

Начальной реакцией глюкозы  в клетке является её фосфорилирование в результате взаимодействия с АТФ (рисунок 9.3, реакция 1). Эта реакция в условиях клетки протекает только в одном направлении. Биологическая роль реакции фосфорилирования глюкозы заключается в том, что глюкозо-6-фосфат, в отличие от свободной глюкозы, не может проникать через клеточную мембрану обратно в кровь. В большинстве тканей реакцию фосфорилирования глюкозы катализирует фермент гексокиназа, которая обладает высоким сродством к глюкозе, способна также фосфорилировать фруктозу и маннозу и ингибируется избытком глюкозо-6-фосфата. В клетках печени, кроме того, есть фермент глюкокиназа, которая имеет низкое сродство к глюкозе, не ингибируется глюкозо-6-фосфатом и не участвует в фосфорилировании других моносахаридов.

В следующей реакции  глюкозо-6-фосфат изомеризуется во фруктозо-6-фосфат (рисунок 9.3, реакция 2).

Продукт реакции изомеризации подвергается повторному фосфорилированию за счёт АТФ (рисунок 9.3, реакция 3). Эта  реакция – наиболее медленно протекающая  реакция гликолиза и, подобно  фосфорилированию глюкозы, необратима. Фермент – фосфофруктокиназа – является аллостерическим, активируется АДФ и АМФ, ингибируется цитратом и высокой концентрацией АТФ.

На следующем этапе  фруктозо-1,6-дифосфат подвергается расщеплению  на две фосфотриозы (рисунок 9.3, реакция 4). Таким образом, химическое соединение, содержащее 6 углеродных атомов, превращается в два, содержащих по 3 атома углерода. Поэтому гликолиз называют дихотомическим путём превращения глюкозы (от слова дихотомия – рассечение на две части).

Далее происходит изомеризация триозофосфатов (рисунок 9.3, реакция 5). В этой реакции диоксиацетонфосфат переходит в глицеральдегид-3-фосфат. Таким образом, в первой стадии гликолиза молекула глюкозы превращается в две молекулы глицеральдегид-3-фосфата.

 

Рисунок 9.4. Реакции второй стадии гликолиза.

Вторая стадия гликолиза  включает реакции превращения двух молекул глицеральдегид-3-фосфата  в две молекулы лактата. На этой стадии гликолиза происходит синтез молекул  АТФ.

Глицеральдегид-3-фосфат подвергается дегидрированию при участии НАД-зависимой дегидрогеназы. В этой реакции происходит потребление неорганического фосфата, который включается в состав продукта реакции, содержащего макроэргическую фосфатную связь (рисунок 9.4, реакция 6).

1,3-Дифосфоглицерат вступает  в реакцию первого субстратного фосфорилирования, т.е. не сопряжённого с переносом электронов в дыхательной цепи. В этой реакции осуществляется синтез молекулы АТФ в результате переноса фосфатной группы вместе с макроэргической связью на молекулу АДФ (рисунок 9.4, реакция 7).

Раздел 9.4

Особенности обмена сахарозы и лактозы.

Сахароза (её формула  приводится на рисунке 9.1) в организм человека поступает с пищевым  сахаром. Первая стадия катаболизма  сахарозы происходит в желудочно-кишечном тракте под действием фермента сахаразы. Вторая стадия катаболизма (образование пирувата) идёт в цитоплазме клеток печени при участии внутриклеточных ферментов (рисунок 9.5).

 

Рисунок 9.5. Схема катаболизма  сахарозы.

В печени имеется фермент  фруктокиназа, который катализирует фосфорилирование фруктозы по 1-му атому углерода, реакция происходит с затратой молекулы АТФ. Образующийся фруктозо-1-фосфат расщепляется далее на диоксиацетонфосфат и глицеральдегид. Оба эти продукта переходят в глицеральдегид-3-фосфат – промежуточный продукт, дальнейшие превращения которого в процессе гликолиза описаны в предыдущем параграфе.

При недостатке фруктокиназы нарушается усвоение фруктозы в организме, в крови увеличивается концентрация этого моносахарида и он выводится  с мочой.

Лактоза (её формула приводится на рисунке 9.1) поступает в организм с молоком и молочными продуктами. Первая стадия катаболизма лактозы происходит в желудочно-кишечном тракте под действием фермента лактазы. Вторая стадия катаболизма (образование пирувата) идёт в цитоплазме клеток печени при участии внутриклеточных ферментов (рисунок 9.6).

 

Рисунок 9.6. Схема катаболизма  лактозы.

Обмен галактозы начинается с превращения её в галактозо-1-фосфат. Эта реакция катализируется галактокиназой и идёт с использованием энергии  АТФ. В следующей реакции при участии гексозофосфат-уридилтрансферазы галактозо-1-фосфат превращается в глюкозо-6-фосфат, одновременно образуется УДФ-галактоза.

Образовавшийся глюкозо-1-фосфат переходит в глюкозо-6-фосфат и  подвергается превращениям, описанным  в предыдущем параграфе. УДФ-галактоза подвергается эпимеризации с образованием УДФ-глюкозы.

Известны врождённые дефекты ферментов обмена лактозы. Врождённый дефект фермента лактазы  приводит к развитию непереносимости  лактозы. Употребление в пищу молока сопровождается диспептическими явлениями (рвота, диаррея, метеоризм). Другое наследственное заболевание – галактоземия – возникает при недостатке гексозофосфат-уридил-трансферазы. Для этого заболевания характерно повышение уровня галактозы в крови, катаракта, умственная отсталость.

В следующей реакции  происходит внутримолекулярное перемещение  фосфатной группы 3-фосфоглицерата ко 2-му углеродному атому (рисунок 4, реакция 8). Тем самым облегчается  последующее отщепление молекулы воды, которое приводит к появлению  в продукте реакции макроэргической фосфатной связи (рисунок 9.4, реакция 9).

Фосфоенолпируват (ФЕП) вступает в реакцию второго субстратного фосфорилирования, в ходе которого образуется молекула АТФ. В отличие  от первого субстратного фосфорилирования, данная реакция является необратимой в условиях клетки. Фермент пируваткиназа аллостерически ингибируется АТФ и фруктозо-1,6-дифосфатом (рисунок 9.4, реакция 10).

В заключительной реакции  гликолиза происходит использование  НАДН, образовавшегося при дегидрировании глицеральдегид-3-фосфата (см. реакцию 6). При участии НАД-зависимой лактатдегидрогеназы пируват восстанавливается в молочную кислоту (рисунок 9.4, реакция 11). Фермент существует в пяти изоферментных формах, отличающихся сродством к субстрату и распределением в тканях.

Таким образом, в процессе гликолиза в клетке не накапливается  НАДН. Это значит, что гликолиз может  протекать без участия кислорода (который является конечным акцептором электронов, передаваемых НАДН в дыхательную  цепь).

При подсчёте энергетического баланса гликолиза следует учитывать, что каждая из реакций второй стадии этого метаболического пути повторяется дважды. Таким образом, в первой стадии было затрачено 2 молекулы АТФ, а во второй стадии путём субстратного фосфорилирования образовалось 2х2 = 4 молекулы АТФ; следовательно при окислении одной молекулы глюкозы в клетке накапливается 2 молекулы АТФ.

Раздел 9.5

Аэробный дихотомический путь окисления глюкозы.

Аэробным называется окисление биологических субстратов с выделением энергии, протекающее при использовании кислорода в качестве конечного акцептора водорода в дыхательной цепи. В качестве доноров водорода выступают восстановленные формы коферментов (НАДН, ФАДН2 и НАДФН), образующиеся в промежуточных реакциях окисления субстратов.

Аэробное дихотомическое окисление глюкозы является основным путём катаболизма глюкозы в организме человека и может происходить во всех органах и тканях. В результате этих реакций глюкоза расщепляется до СО2 и Н2О, а выделяющаяся энергия аккумулируется в АТФ. В этом процессе можно условно выделить три стадии:

превращение глюкозы  в 2 молекулы пирувата в цитоплазме клеток (специфический путь распада  глюкозы);

окислительное декарбоксилирование  пирувата с образованием ацетил-КоА  в митохондриях;

окисление ацетил-КоА  в цикле Кребса в митохондриях.

На каждом этапе процесса происходит образование восстановленных  форм коферментов, которые окисляются ферментными комплексами дыхательной  цепи с образованием АТФ путём  окислительного фосфорилирования. Коферменты, образующиеся на второй и третьей стадиях аэробного окисления глюкозы, подвергаются непосредственному окислению в митохондриях. В то же время НАДН, образующийся в цитоплазме в реакциях первой стадии аэробного окисления, не способен проникать через митохондриальную мембрану. Перенос водорода с цитоплазматического НАДН в митохондрии происходит при помощи специальных челночных циклов, основным из которых является малат-аспартатный челночный механизм. Цитоплазматический НАДН восстанавливает оксалоацетат в малат, который проникает в митохондрию, где окисляется, восстанавливая митохондриальный НАД; в цитоплазму оксалоацетат возвращается в виде аспартата (рисунок 9.7).

 

Рисунок 9.7. Малат-аспартатный  челночный механизм.

Продукция АТФ в реакциях аэробного дихотомического окисления происходит также в трёх реакциях субстратного фосфорилирования – две из них в гликолизе, третья в цикле Кребса на уровне сукцинил-КоА. Полный энергетический баланс аэробного окисления глюкозы представлен на рисунке 9.8.

 

Рисунок 9.8. Энергетический баланс аэробного окисления глюкозы.

Раздел 10.1

Глюконеогенез.

Глюконеогенез - биосинтез  глюкозы из различных соединений неуглеводной природы. Биологическая  роль глюконеогенеза заключается в  поддержании постоянного уровня глюкозы в крови, что необходимо для нормального энергообеспечения тканей, для которых характерна непрерывная потребность в углеводах. Особенно это касается центральной нервной системы. Роль глюконеогенеза возрастает при недостаточном поступлении углеводов с пищей. Так, в организме голодающего человека может синтезироваться до 200 г глюкозы в сутки. Глюконеогенез быстрее, чем другие метаболические процессы, реагирует на изменения диеты: введение с пищей большого количества белков и жиров активизирует процессы глюконеогенеза; избыток углеводов, наоборот, тормозит новообразование глюкозы.Интенсивные физические нагрузки сопровождаются быстрым истощением запасов глюкозы в организме. В этом случае глюконеогенез является основным путём пополнения углеводных ресурсов, предупреждая развитие гипогликемии. Глюконеогенез в организме тесно связан также с процессами обезвреживания аммиака и поддержанием кислотно-основного баланса.