ОБМЕН УГЛЕВОДОВ

ТАШКЕНТСКАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ
КАФЕДРА БИОЛОГИЧЕСКОЙ И БИООРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
ЛЕЧЕБНОГО И МЕДИКО-ПРОФИЛАКТИЧЕСКОГО ФАКУЛЬТЕТОВ
Тема лекции: «ОБМЕН УГЛЕВОДОВ»
для студентов 2 курса лечебного, медико-профилактического факультетов
Рассмотрена и одобрена на
учебно-методическом заседании
кафедры от августа 2006 г.
протокол №1
Составитель:
Доц. М.П.Ибрагимходжаева
Ташкент - 2006 г.
Рассматриваемые вопросы:
1.
2.
3.
4.
5.
Всасывание углеводов.
Пути использования всосавшихся углеводов в организме.
Синтез и распад гликогена, его регуляция. Действие глюкокиназ и гексокииназ.
Катаболизм глюкозы. Аэробный гликолиз глюкозы – основной путь катаболизма
глюкозы. Гликогенолиз, спиртовое брожения.
Челночный механизм переноса водорода с цитозоля в митохондрии.
ОБМЕН УГЛЕВОДОВ
Функции углеводов
В основном углеводы выполняют энергодативную функцию. Главными источниками энергии являются
глюкоза и гликоген. Кроме того, из углеводов могут синтезироваться липиды, некоторые аминокислоты,
пентозы. Углеводы входят как составная часть в структурно-функциональные компоненты клетки гликолипиды и гликопротеины.
Метаболизм глюкозы
Обмен углеводов в организме человека складывается в основном из следующих процессов.
1. Расщепление в желудочно-кишечном тракте поступающих с пищей полисахаридов и дисахаридов до
моносахаридов. Всасывание моносахаридов из кишечника в кровь.
2. Синтез и распад гликогена в тканях, прежде всего в печени.
3. Анаэробное и аэробное расщепление глюкозы. В тканях существуют два основных пути распада
глюкозы: анаэробный путь гликолиза' (без потребления кислорода) и аэробный путь прямого окисления
глюкозы или, как его называют, пентозо-фосфатный путь (пентозный цикл).
4. Взаимопревращение гексоз.
5. Аэробный метаболизм пирувата. Этот процесс выходит за рамки углеводного обмена, однако может
рассматриваться как завершающая его стадия: окисление продукта гликолиза — пирувата.
6. Наконец, весьма важным является процесс глюконеогенеза, или образование углеводов из
неуглеводных продуктов. Такими продуктами являются в первую очередь пировиноградная и молочная
кислоты, глицерин, аминокислоты и ряд других соединений.
Переваривание и всасывание углеводов
Расщепление крахмала (и гликогена) начинается в ротовой полости под действием амилазы слюны.
Известны три вида амилаз, отличающихся главным образом по конечным продуктам их ферментативного
действия, которые называют α-амилазой, β-амилазой и у-амилазой. α -Амилаза расщепляет в полисахаридах
внутренние а-1,4-связи, поэтому ее иногда называют эндоамилазой. Молекула α -амилазы содержит в своих активных
центрах ионы кальция, необходимые для осуществления 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. она является экзоамилазой. β Амилаза найдена у высших растений, где она выполняет важную роль в мобилизации резервного
(запасного) крахмала.
у-Амилаза отщепляет один за другим глюкозные остатки от конца полиглюкозидной цепочки. Различают
кислые и нейтральные у-амилазы в зависимости от того, в какой области рН они проявляют максимальную
активность. В органах и тканях человека и млекопитающих кислая у-амилаза локализована в лизосомах, а
нейтральная — в микросомах и гиалоплазме.
Амилаза слюны является α -амилазой. Под влиянием этого фермента в основном происходят первые
фазы распада крахмала (или гликогена) с образованием декстринов (в небольшом количестве образуется и
мальтоза). Затем пища, более или менее смешанная со слюной, проглатывается и попадает в желудок.
Желудочный сок сам по себе не содержит ферментов, расщепляющих сложные
Понятие «гликолиз» означает расщепление глюкозы. Первоначально оно относилось только к анаэробному
брожению, завершающемуся образованием молочной кислоты (лактата) или этанола и С02, однако теперь имеет
более широкое значение и используется для описания распада глюкозы, проходящего через образование глюкозо-6фосфата, фруктозобисфосфата и пирувата как в отсутствие, так и в присутствии кислорода. В последнем случае
употребляют понятие «аэробный гликолиз» в отличие от «анаэробного гликолиза», завершающегося образованием
молочной кислоты (лактата).
углеводы. В желудке действие а-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 а-амилазы поджелудочного сока. Здесь рН
возрастает приблизительно до нейтральных значений, и при этих условиях а-амилаза панкреатического
сока обладает почти максимальной активностью. Этот фермент завершает превращение крахмала и
гликогена в мальтозу, начатое амилазой слюны. Напомним, что в молекулах амилопектина и гликогена
существуют также а(1 -> 6)-гликозидные связи, находящиеся в точках ветвления. Эти связи в кишечнике
гидролизуются особыми ферментами — амило-1,6-глюкозидазой и олиго-1,6-глюкозидазой (терминальной
декстриназой).
Таким образом, расщепление крахмала и гликогена до мальтозы происходит в кишечнике под
действием трех ферментов — панкреатической ос-амилазы, амило-1,6-глюкозидазы и олиго-1,6глюкозидазы.
Образующаяся мальтоза оказывается только временным продуктом, так как она быстро гидролизуется
под влиянием фермента мальтазы (а-глюкозидазы) на две молекулы глюкозы. Кишечный сок содержит
также активную сахаразу, под влиянием которой из сахарозы образуются глюкоза и фруктоза 1. Лактоза,
которая содержится только в молоке, под действием лактазы кишечного сока расщепляется на глюкозу и
галактозу. В конце концов углеводы пищи распадаются на составляющие их моносахариды
(преимущественно глюкоза, фруктоза и галактоза), которые всасываются кишечной стенкой и затем
попадают в кровь.
1
Напомним, что на внутренней поверхности тонкой кишки располагаются ворсинки. В тощей кишке человека на
1 мм2 поверхности приходится 22—40, в подвздошной — 18 — 30 ворсинок. Снаружи ворсинки покрыты кишечным
эпителием, клетки которого имеют множественные выросты — микроворсинки (до 4000 на каждой клетке). На 1 мм2
поверхности тонкого кишечника у человека находится 80—140 млн микроворсинок.
При соответствующей обработке препаратов над микроворсинками обнаруживается волокнистая сеть,
представляющая собой гликопротеиновый комплекс — гликокаликс. В поверхностных слоях гликокаликса
задерживаются крупные молекулы и бактерии. Полисахариды не проникают через гликокаликс и, оставшись
нерасщепленными при полостном пищеварении, гидролизуются на поверхности энтероцитов. Мальтоза, сахароза
и лактоза могут гидролизоваться в гликокаликсе. Такое переваривание получило название пристеночного, или
внеклеточного, пищеварения.
Маловероятным представляется всасывание значительных количеств дисахаридов, так как из экспериментов с
парентеральным их введением известно, что большая часть дисахаридов, поступивших в кровяное русло,
выделяется с мочой неизмененной; это является тем единственным и притом нефизиологическим случаем, когда
дисахариды появляются в моче.
Скорость всасывания отдельных моносахаридов различна. Глюкоза и галактоза всасываются быстрее,
чем другие моносахариды. Принято считать, что всасывание маннозы, ксилозы и арабинозы осуществляется
преимущественно путем диффузии, всасывание же большинства других моносахаридов происходит за счет
активного транспорта. Установлено, что для всасывания простых углеводов необходимо присутствие ионов
натрия. Углеводы и натрий образуют комплексное соединение, которое транспортируется внутрь клетки.
Затем комплекс распадается, а освобожденный ион натрия транспортируется обратно. Ион натрия
активирует АТФазу, благодаря чему ускоряется распад АТФ и освобождается необходимая для всасывания
энергия.
Динамика происходящих при этом процессов пока остается недостаточно ясной и в настоящее время
обстоятельно изучается в различных лабораториях.
Судьба всосавшихся моносахаридов. Свыше 90% всосавшихся моносахаридов (главным образом
глюкозы) через капилляры кишечных ворсинок попадает в кровеносную систему и с током крови через
воротную вену доставляется прежде всего в печень. Остальное количество моносахаридов поступает по
лимфатическим путям в венозную систему. В печени значительная часть всосавшейся глюкозы
превращается в гликоген, который откладывается в печеночных клетках в форме своеобразных, видимых
под микроскопом блестящих гранул.
Синтез гликогена
Считалось, что гликоген-фосфорилаза (фосфорилаза а) катализирует как распад гликогена, так и его
синтез, потому что в опытах in vitro было показано, что глико-ген-фосфорилазная реакция обратима.
Однако в дальнейшем было установлено, что в клетке фосфорилаза а катализирует только распад
гликогена, синтез же гликогена осуществляется совершенно другим путем.
Прежде всего глюкоза подвергается фосфорилированию при участии фермента гексокиназы, а в печени
— и глюкокиназы (см. главу 15). Далее глюкозо-6-фосфат под влиянием фермента фосфоглюкомутазы
переходит в г люкозо-1 -фосфат':
Образовавшийся глюкозо-1-фосфат уже непосредственно вовлекается в синтез гликогена. На первой
стадии синтеза глюкозо-1-фосфат вступает во взаимодействие с УТФ, образуя уридиндифосфатглюкозу
(УДФ-глюкозу) и пирофосфат. Данная реакция катализируется ферментом глюкозо-1-фосфатуридилилтрансферазой (УДФГ-пирофосфорилазой) :
Глюкозо-1-фосфат + УТФ*±УДФ-глюкоза + пирофосфат
Ниже приведена структурная формула УДФ-глюкозы.
1 Роль кофактора в данной реакции выполняет глюкозо-1,6-бисфосфат, образующийся в следующей реакции,
катализируемой фосфоглюкокиназой: г люкозо-1 -фосфат + АТФ «=* глюкозо-1, 6-бисфосфат + АДФ.
240
На второй стадии, приводящей к образованию гликогена, происходит перенос глюкозного остатка,
входящего в состав УДФ-глюкозы, на глюкозидную цепь гликогена («затравочное» количество). При этом
образуется а-(1 -* 4)-связь между первым атомом углерода добавляемого остатка глюкозы и 4гидроксильной группой остатка глюкозы цепи. Эта реакция катализируется ферментом гликогенсинтазой.
Образующийся УДФ затем вновь фосфорилируется в УТФ за счет АТФ, и таким образом весь цикл
превращений глюкозо-1-фосфата начинается сначала.
В целом образование а-1,4-глюкозидной ветви («амилозной» ветви) гликогена можно представить в
виде следующей схемы:
Установлено, что гликогенсинтаза неспособна катализировать образование а-(1->6)-связи, имеющейся в
точках ветвления гликогена. Этот процесс катализирует специальный фермент, получивший название
гликогенветвящего фермента, или гликозил-(4 -»6)-трансферазы1.
Благодаря способности к отложению гликогена (главным образом в печени и мышцах и в меньшей
степени в других органах и тканях) создаются условия для накопления в норме некоторого резерва
углеводов. При повышении энерготрат в организме в результате возбуждения ЦНС обычно происходит
усиление распада гликогена и образование глюкозы (глюкогенез).
1 Гликозил-(4-»6)-трансфераза катализирует перенос концевого олигосахаридного фрагмента, состоящего из 6 или
7 остатков глюкозы, с нередуцирующего конца одной из боковых цепей, насчитывающей не менее 11 остатков, на 6гидроксильную группу остатка глюкозы той же или другой цепи гликогена. В результате образуется новая боковая
цепь.
241
Помимо непосредственной передачи нервных импульсов к эффекторным органам и тканям, при
возбуждении ЦНС повышаются функции ряда желез внутренней секреции (мозговое вещество
надпочечников, щитовидная железа, гипофиз и др.), гормоны которых активируют распад гликогена,
прежде всего в печени и мышцах (см. главу 6).
Например, как уже отмечалось, эффект катехоламинов в значительной мере опосредован действием
цАМФ, который активирует протеинкиназы тканей. При участии последних происходит фосфорилирование
ряда белков, в том числе гликогенсинтазы и фосфорилазы b — ферментов, участвующих в обмене
углеводов. Фосфорилированный фермент гликогенсинтаза сам по себе малоактивен или полностью
неактивен, но в значительной мере активируется положительным модулятором, глюкозо-6-фосфа-том,
который увеличивает Fmax фермента.
Эта форма гликогенсинтазы называется D-формой, или зависимой (dependent) формой, поскольку ее
активность зависит от глюкозо-6-фосфата. Дефосфорилирован-ная форма гликогенсинтазы, называемая
также I-формой, или независимой (independent) формой, активна и в отсутствие глюкозо-6-фосфата.
Таким образом, адреналин оказывает двойное действие на обмен углеводов: ингибирует синтез
гликогена из УДФ-глюкозы, поскольку для проявления максимальной активности D-формы
гликогенсинтазы нужны весьма высокие концентрации глюкозо-6-фосфата, и ускоряет распад гликогена,
так как способствует образованию активной фосфорилазы а. В целом суммарный результат действия
адреналина состоит в ускорении превращения гликогена в глюкозу.
Распад гликогена и освобождение глюкозы
Известно, что фосфоролитический распад играет ключевую роль в мобилизации полисахаридов '.
Фосфорилазы переводят полисахариды (в частности, гликоген) из запасной формы в метаболически
активную форму; в присутствии фосфорилазы гликоген распадается с образованием фосфорного эфира
глюкозы (глюкозо-1-фосфата) без предварительного расщепления на более крупные обломки молекулы
полисахарида. В общей форме эту реакцию можно представить в следующем виде:
(СбН1005)п + H3PO4 -»(СбН1005)п-1 + глюкозо-1-фосфат,
где (СбН1005)п означает полисахаридную цепь гликогена, a (C6H10O5)n-i — ту же цепь, но укороченную на
один глюкозный остаток.
На рис. 9.3 изображены процесс распада гликогена до глюкозо-1-фосфата и участие в этом процессе
цАМФ. Фермент фосфорилаза существует в двух формах, одна из которых (фосфорилаза а) активна, в то
время как другая (фосфорилаза Ь) обычно неактивна. Обе формы могут диссоциировать на субъединицы.
Фосфорилаза Ъ состоит из двух субъединиц, а фосфорилаза а — Из четырех. Превращение фосфорилазы b
в фосфорилазу а осуществляется фосфорилированием белка:
2 Фосфорилаза Ъ + 4 АТФ-> Фосфорилаза а + 4 АДФ.
Катализируется эта реакция ферментом, который называется киназой фосфорилазы Ь. Было найдено,
что эта киназа может существовать как в активной, так и в неактивной форме, причем неактивная киназа
фосфорилазы превращается в актив-
1 В тканях человека и животных советскими биохимиками Е. Л. Розенфельд и И. А. Поповой обнаружен также
фермент а-амилаза, катализирующий отщепление остатков глюкозы от молекулы гликогена по а-1,4-связи. Однако
ведущая роль в расщеплении гликогена в клетках принадлежит фосфорилазам.
242
.
Гормональная регуляция фосфоролитического отщепления остатка глюкозы от гликогена.
ную под влиянием фермента протеинкиназы (киназа киназы фосфорилазы). Активная форма последней
образуется при участии цАМФ, которая в свою очередь образуется из АТФ под действием фермента
аденилатциклазы, стимулируемой, в частности, адреналином и глюкагоном. Увеличение содержания
адреналина в крови ведет по этой сложной цепи реакций к превращению фосфорилазы Ъ в фосфорилазу а
и, следовательно, к освобождению глюкозы в виде глюкозо-1-фосфата из запасного полисахарида
гликогена. Обратное превращение фосфорилазы а в фосфорилазу Ъ катализируется ферментом фосфатазой
(эта реакция практически необратима).
Образовавшийся в результате фосфоролитического распада гликогена глюкозо-1-фосфат превращается
под действием фосфоглюкомутазы в глюкозо-6-фосфат. Для осуществления данной реакции необходима
фосфорилированная форма фосфоглюкомутазы, т. е. ее активная форма, которая образуется, как уже
указывалось, в присутствии глюкозо-1,6-бисфосфата.
243
Распад и синтез гликогена (схема).
Жирными стрелками указан путь распада, тонкими — путь синтеза. Цифрами обозначены ферменты: 1 — фосфорилаза; 2 — фосфоглюкомутаза; 3 — глюкозо-6-фосфатаза; 4 — гексокиназа (г люкокиназа); 5 — глю-козо-Гфосфат-уридилтрансфераза; 6 — гликогенсинтаза.
Образование свободной глюкозы из глюкозо-6-фосфата в печени происходит под влиянием глюкозо-6
фосфагазы '. Данный фермент катализирует гидролитическое отщепление фосфата:
На рис. 9.4 суммированы изложенные выше представления о путях распада и синтеза гликогена.
Можно считать, что сохранение постоянства концентрации глюкозы в крови является результатом
одновременного протекания двух процессов: поступления глюкозы в кровь из печени и потребления ее из
крови тканями, где она используется в первую очередь как энергетический материал.
В тканях (в том числе и в печени) существуют два основных пути распада глюкозы: анаэробный (при
отсутствии кислорода) и аэробный (для осуществления которого необходим кислород).
Аэробный распад глюкозы включает реакции аэробного гликолиза и последующее окисление пирувата в
реакциях катаболизма.
Схема катаболизма глюкозы
В гликолизе можно выделить три основных этапа. На первом этапе превращениям подвергаются гексозы, на
втором - триозы, на третьем - карбоновые кислоты. Характеристика гликолиза:
 большинство реакций обратимо, за исключением трех (реакций 1, 3, 10);
 все метаболиты находятся в фосфорилированной форме;
 источником фосфатной группы в реакциях фосфорилирования являются АТР (реакции 1, 3) или
неорганический фосфат (реакция 6);
 регенерация NAD+, являющаяся необходимым условием протекания гликолиза, происходит при
аэробном гликолизе посредством дыхательной цепи. В этом случае водород транспортируется в
митохондрии с помощью челночного механизма при участии переносчиков. Это происходит
потому, что мембрана митоходрий непроницаема для протонов. При анаэробном гликолизе
регенерации NAD+ осуществляется независимо от дыхательной цепи. В этом случае акцептором
водорода от NADH является пируват, который восстанавливается в лактат;
 образование АТР при гликолизе может идти двумя путями: либо субстратным фосфорилированием,
когда для фосфорилирования ADP используется энергия макроэргической связи субстрата (реакции
7, 9), либо путем окислительного фосфорилирования ADP, сопряженного с дыхательной цепью
(реакция 6).
Аэробный распад глюкозы
Энергетическое значение аэробного распада глюкозы
В аэробном гликолизе образуется 10 моль АТР на 1 моль глюкозы. Так, в реакциях 7, 10 образуется 4 моль
АТР путем субстратного фосфорилирования, а в реакции 6 синтезируется 6 моль АТР (на 2 моль
глицероальдегидфосфата) путем окислительного фосфорилирования:
Баланс аэробного гликолиза
Суммарный эффект аэробного гликолиза составляет 8 моль АТР, так как в реакциях 1 и 3 используется 2
моль АТР. Дальнейшее окисление двух моль пируват в общих путях катаболизма сопровождается синтезом
30 моль АТР ( по 15 моль на каждую молекулу пирувата . Следовательно, суммарный энергетический
эффект аэробного распада глюкозы до конечных продуктов составляет 38 моль АТР.