Обмен веществ, углеводов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЛЕКЦИЯ

по теме «Обмен веществ, углеводов»

План

Введение в обмен веществ

Углеводы и их роль

Переваривание и всасывание углеводов

Превращение глюкозы в тканях

Пути окисления глюкозы. Анаэробный гликолиз энергетический баланс

1. Введение в обмен веществ

Обмен веществ - это совокупность тесно связанных между собой противоположных процессов - ассимиляции (анаболизм) и диссимиляции (катаболизм). Обмен веществ включает 4 этапа: 1 этап - переваривание. Это механическое и ферментативное расщепление сложных веществ, которое происходит в ЖКТ под действием соответствующих гидролаз; 2 этап - всасывание - это транспорт продуктов распада из просвета кишечника во внутреннюю среду организма. Всасывание осуществляется через мембраны микроворсинок тонкого кишечника и бывает активным и пассивным (механизмы транспорта через мембраны см. микролекцию «Б/х мембран», дать ксерокс или дискету).

3 этап - промежуточный обмен - это превращение в клетках или тканях организма всосавшихся веществ; 4 этап - выделение конечных продуктов обмена.

2. Углеводы и их роль

На долю углеводов должно приходиться 50% калорийности суточного рациона. Соотношение белков, липидов и углеводов в пище должно быть (Б:Л:У) - 1:1:4, т.е. в сутки должно поступать 400-500 г углеводов, или 124 г на 1000 ккал рациона в сутки. При этом желательно, чтобы легкоусвояемые дисахариды составляли не более 25% от этого количества. Переедание легкоусвояемых угв является риском развития ожирения и атеросклероза.

Углеводы могут синтезироваться в организме из промежуточных продуктов распада белков и липидов. Единственное производное углеводов, которое обязательно должно поступать с пищей и не синтезируется в организме человека - это витамин С.

Различают следующие пищевые угв 1) 80% приходится на долю крахмала - резервного полисахарида растений. 2) В продуктах животного происхождения содержится гликоген - «животный крахмал». 3) пищевые волокна - целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин, смолы, пектины, пентозаны. С пищей также поступают дисахариды - 4) сахароза, или тростниковый сахар, 5) лактоза, или молочный сахар, а также мсх - 6) глюкоза - виноградный сахар и 7) фруктоза - фруктовый сахар. Этих мсх также много в меде. 8) В составе НП в организм поступают пентозы.

Роль углеводов пищи 1) энергетическая - 99% потребляемых угв используется на производство энергии. Окисление 1г углеводов дает 17,2кДж (4,1ккал) энергии; 2) пластическая, строительная, или структурная - ГАГи, ГП и другие белки (почти все белки организма имеют в своем составе угв, НК, липиды, НЗТ, Коf, глюкуронаты, ГЛ мембран; 3) резервная - гликоген запас глюкозы; 4) сигнальная - угв входят в состав рецепторов (их узнающей части) и в состав ряда гормонов, например, ТТГ, ФСГ. Угв обеспечивают антигенность тканей. 5) пищевые волокна способствуют задержке воды при прохождении пищи по кишечнику и формированию благодаря этому объемных мягких фекалий. Диета, богатая пищевыми волокнами (клетчаткой) снижает вероятность возникновения дивертикулеза, рака толстой кишки, сердечно-сосудистых заболеваний и сахарного диабета. Целлюлоза и лигнин хорошо действуют на функцию толстой кишки, а смолы и пектины снижают уровень ХСН в крови, возможно, благодаря связыванию ЖчК и ХСН пищи. Смолы и пектины препятствуют опорожнению желудка, замедляют и снижают подъем уровня глюкозы в крови после приема пищи и последующим уменьшением секреции инсулина.

3. Переваривание и всасывание углеводов

1 этап - переваривание В ротовой полости начинается переваривание крахмала и гликогена пищи под действием альфа-амилазы слюны. В желудке нет гликозидаз, но пищевой комок подвергается распаду под действием альфа-амилазы слюны до тех пор, пока не пропитается кислым содержимым желудка. При этом альфа-амилаза слюны ингибируется, т.к. рН желудка не соответствует оптимуму рН данного фермента. В кишечнике рН 8,0-9,0 и действие альфа-амилазы слюны возобновляется. Сюда же поступает альфа-амилаза поджелудочной железы и оба фермента расщепляют крахмал и гликоген до мальтозы. В кишечнике мальтоза расщепляется до 2-х глюкоз под действием мальтазы (образуется кишечными клетками) - реакцию повторить (стр. 32, Материалы). Здесь же под влиянием лактазы кишечного сока лактоза расщепляется до галактозы и глюкозы - реакцию повторить (стр. 32, Материалы). У детей раннего возраста благодаря замедленному гидролитическому расщеплению, лактоза способствует поддержанию слабокислой среды в толстой кишке (рН - 5,0-5,5). Под действием сахаразы кишечного сока сахароза расщепляется до фруктозы и глюкозы - реакцию повторить (стр. 32, Материалы). Переваривание НК дает пентозы.

Т.о., все углеводы пищи перевариваются в кишечнике до гексоз. Все процессы переваривания идут на поверхности эпителия кишечника и поэтому называются пристеночным пищеварением.

2 этап - всасывание продуктов переваривания. Мсх всасываются микроворсинками эпителия тонкого кишечника с различной скоростью. Первой всасывается галактоза, затем глюкоза, фруктоза и пентозы. Различие в скорости всасывания зависит от типа всасывания. Галактоза и глюкоза всасываются путем активного транспорта.

Щеточная каемка энтероцитов содержит несколько транспортных систем, некоторые очень схожи с таковыми в почках, служащие для реабсорбции глюкозы и аминокислот. Натрий-зависимый глюкозный транспортер связывает глюкозу и натрий в разных центрах и транспортирует их через плазматическую мембрану кишечной клетки. Натрий транспортируется по градиенту концентрации, а глюкоза транспортируется против градиента концентрации. Энергия, необходимая для активного транспорта, образуется за счет гидролиза АТФ в результате работы натрий-калиевой АТФ-азы (натрий-калиевого насоса). Этот фермент обменивает натрий цитоплазмы на калий. Затем натрий удаляется из цитоплазмы кишечной клетки в межклеточное пространство с помощью натрий-калиевого насоса в обмен на калий. Таким образом, галактоза и глюкоза всасываются активно (против градиента концентрации) натрий-зависимым транспортом с помощью особого белка - натрий-зависимого глюкозного транспортера.

Фруктоза всасывается пассивно путем облегченной диффузии с помощью белка-переносчика - GLUT-5. Если галактозы и глюкозы поступает много, то и эти моносахариды могут пассивно всасываться с помощью этого белка.

Из кишечной клетки галактоза, глюкоза и фруктоза транспортируются в воротную вену путем облегченной диффузии с помощью белка-переносчика - GLUT-2 - см. пленку (рис по Марри).

Пентозы всасываются путем простой диффузии (пассивно).

Т.о., в крови воротной вены имеются различные мсх, их качество зависит от вида принимаемой пищи. Количество их также сильно варьирует - в разгар пищеварения их много, натощак мало. Мсх быстро поглощаются паренхиматозными клетками печени, где происходит превращение всех мсх в глюкозу. Т.о., глюкоза - единственный мсх, поступающий в большой круг кровообращения. В крови БКК у детей раннего возраста возможно небольшое количество других МСХ, например, фруктозы и галактозы. Это связано с незрелостью печени и глюкогенеза 3 этап ОУ - промежуточный обмен.

4. Превращение глюкозы в тканях

обмен углевод глюкоза гликолиз

В транспорте глюкозы между клетками и кровью играют роль белки-переносчики. Эти белки обозначаются GluT и пронумерованы по порядку их обнаружения. Они осуществляют транспорт глюкозы между клетками и кровью по градиенту концентрации (в отличие от переносчиков, транспортирующих мсх при их всасывании в кишечнике против градиента концентрации). GluT1 находится в эндотелии ГЭБ. Он служит для обеспечения глюкозой мозга. GluT2 в стенке кишечника, печени и почках - органах, осуществляющих выделение глюкозы в кровь. GluT3 находится в нейронах мозга. GluT4 - главный переносчик глюкозы в мышцах и адипоцитах. GluT5 находится в тонкой кишке, подробности его функции неизвестны.

Особенно интенсивно используют глюкозу следующие клетки и ткани: 1) нервная ткань, т.к. для нее глюкоза - единственный источник энергии, 2) мышцы (для выработки энергии на сокращения), 3) стенка кишечника (процессы всасывания различных веществ требуют затраты энергии), 4) почки (образование мочи - процесс энергозависимый), 5) надпочечники (необходима энергия для синтеза гормонов); 6) эритроциты; 7) жировая ткань (глюкоза необходима для нее как источник глицерина для образования ТАГ); 8) молочная железа, особенно в период лактации (глюкоза необходима для образования лактозы).

В тканях около 65% глюкозы окисляется, 30% идет на липонеогенез, 5% на гликогеногенез.

Глюкостатическая функция печени обеспечивается тремя процессами: 1) гликогеногенезом, 2) гликогенолизом, 3) глюконеогенезом (синтез глюкозы из промежуточных продуктов распада белков, липидов, углеводов).

При увеличении глюкозы в крови ее избыток используется на образование гликогена (гликогеногенез). При уменьшении содержания глюкозы в крови усиливается гликогенолиз (распад гликогена) и глюконеогенез. Под действием алкоголя глюконеогенез тормозится, что сопровождается падением глюкозы в крови при большом количестве выпитого алкоголя. Клетки печени, в отличие от других клеток способны пропускать глюкозу в обоих направлениях в зависимости от концентрации глюкозы в межклеточном веществе и крови. Т.о., печень выполняет глюкостатическую функцию, поддерживая постоянство содержания глюкозы в крови, которое равно 3,4-6,1 мМ/л. До 10-14 дней после рождения отмечается физиологическая гипогликемия, это связано с тем, что связь с матерью после родов прекратилась, а своих запасов гликогена мало.

Гликогеногенез 5% глюкозы превращается в гликоген. Образование гликогена называется гликогеногенезом. 2/5 запасов гликогена (примерно 150 грамм) откладывается в паренхиме печени в виде глыбок (10% на сырую массу печени). Остальной гликоген откладывается в мышцах и других органах. Гликоген служит резервом УГВ для всех органов и тканей. Запас УГВ в виде гликогена обусловлен тем, что гликоген как ВМС в отличие от глюкозы не повышает осмотического давления клеток.

Гликогеногенез - сложный, многоступенчатый процесс, который состоит из следующих стадий - реакции знать (только текст)см. материалы стр.35:

1 - Образование глюкозо-6-фосфата - в печени под действием глюкокиназы, а в других тканях под действием гексокиназы глюкоза фосфорилируется и превращается в глюкозо-6-фосфат (реакция необратимая).

2 - Превращение глюкозо-6-фосфата в глюкозо-1-фосфат Под действием фосфоглюкомутазы из глюкозо-6-фосфата образуется глюкозо-1-фосфат (реакция обратимая).

3 - Образование УДФ-глюкозы - глюкозо-1-фосфат взаимодействует с УТФ под действием УДФГ-пирофосфорилазы и образуется УДФ-глюкоза и пирофосфат (реакция обратимая)

4 - Удлинение цепи гликогена начинается с включения в работу фермента гликогенина: УДФ-глюкоза взаимодействует с ОН группой тирозина в составе фермента гликогенина (УДФ отщепляется и в дальнейшем при перефосфорилировании вновь дает УТФ). Затем гликозилированный гликогенин взаимодействует с гликогенсинтазой, под действием которой к первому остатку глюкозы через 1-4 связь присоединяется еще до 8 молекул УДФ-глюкозы. При этом УДФ отщепляется (реакции см. стр. 123 - Биохимия в схемах и рисунках, 2изд. - Н.Р. Аблаев).

5 - Ветвление молекулы гликогена - под действием амило(14)(16)-трансглюкозидазы происходит образование альфа(16)-гликозидной связи (см. пленку, не списывать).

Таким образом, 1) в образовании зрелой молекулы гликогена принимают участие гликогенсинтетаза и амилотрансглюкозидаза; 2) для синтеза гликогена требуется много энергии - для присоединения 1молекулы глюкозы к фрагменту гликогена используется 1молекула АТФ и 1 молекула УТФ; 3) для инициации процесса обязательно наличие затравки гликогена и екоторые специализированные белки-праймеры; 4) этот процесс не безграничен - избыток глюкозы превращается в липиды.

Гликогенолиз Процесс распада гликогена осуществляется 2 путями: 1 путь - фосфоролиз, 2 путь - гидролиз.

Фосфоролиз происходит во многих тканях (сразу пишем реакции, на откр. Только текст). При этом к крайним молекулам глюкозы присоединяются фосфорные кислоты и одновременно происходит их отщепление в виде глюкозо-1-фосфатов. Ускоряет реакцию фосфорилаза. Глюкозо-1-фосфат затем переходит в глюкозо-6-фосфат, который не проникает через клеточную мембрану и используется только там где образовался. Такой процесс возможен во всех тканях кроме печени, в которой много фермента глюкозо-6-фосфатазы, который ускоряет отщепление фосфорной кислоты и при этом образуется свободная глюкоза, которая может поступать в кровь - показать на пленке, реакции знать, см. материалы стр.36-37 (на откр. не списывать).

! Обязательно в виде текста - Фосфорилаза не действует на альфа(16)гликозидные связи. Поэтому окончательное разрушение гликогена осуществляется амило-1,6-глюкозидазой. Этот фермент проявляет 2 вида активности. Во-первых, активность трансферазы, которая переносит фрагмент из 3-х молекул глюкозы с альфа(16)положения в альфа(14)положение. Во-вторых, активность глюкозидазы, которая ускоряет отщепление свободной глюкозы на уровне альфа(16) гликозидной связи (см. пленку).

Второй путь гликогенолиза - гидролиз, осуществляется преимущественно в печени под действием гамма-амилазы. При этом происходит отщепление крайней молекулы глюкозы от гликогена и свободная глюкоза может поступать в кровь реакции знать, см. материалы стр. 37, показать на пленке.

Т.о., в результате гликогенолиза образуется или глюкозо-монофосфат (при фосфоролизе) или свободная глюкоза (при гидролизе), которые используется на синтетические процессы или подвергаются распаду (окислению).

5. Пути окисления глюкозы. Анаэробный гликолиз, энергетический баланс

Распад глюкозы (окисление): идет 2 путями - 2/3 глюкозы окисляется гликолитическим путем. 1/3 глюкозы окисляется пентозофосфатным путем - показать на пленке.

Гликолитический путь окисления глюкозы (гликолиз). Первоначально термином «гликолиз» обозначали только анаэробное брожение, завершающееся образованием лактата или этанола и СО2. В настоящее время понятие «гликолиз» используется более широко для описания распада глюкозы, проходящего через образование глюкозо-6-фосфата, фруктозо-1,6-дифосфата и пирувата как в отсутствие, так и в присутствии кислорода. В последнем случае употребляют термин «аэробный гликолиз» в отличие от «анаэробного гликолиза», завершающегося образованием лактата.

При анаэробном гликолизе из 1 молекулы глюкозы образуется 2 молекулы лактата и 2 АТФ. При аэробном гликолизе из 1 молекулы глюкозы образуется 36 или 38 АТФ, выделяется 6 СО2 и 6 Н2О. Пентозофосфатный цикл осуществляется в анаэробных условиях, в результате этого процесса выделяется 6СО2 и 12НАДФН2. НАДФН2 необходимы для восстановительного синтеза.

Анаэробный гликолиз, или фосфотриозный путь, или шунт Эмбдена-Мейерхофа включает 10 реакций. Ступенчатое окисление глюкозы создает возможность не только преодоления при обычной температуре порога энергии активации отдельных реакций, но и рационального использования энергии, освобождающейся здесь не в форме взрыва, а шаг, за шагом, отдельными порциями. На основе гликолиза возникло кислородное дыхание. Гликолиз - это древнее усилие природы использовать энергию - студенты пишут отдельно реакции формулами, а пояснение к реакциям в тексте лекции (как ЦТК).

1 реакция - глюкоза фосфорилируется под действием фермента глюкокиназы (в печени) или гексокиназы (в других тканях)

2 реакция - глюкозо-6-фосфат изомеризуется во фруктозо-6-фосфат под действием фосфогексоизомеразы; этот фермент действует на молекулу с открытой линейной конфигурацией

3 реакция - фруктозо-6-фосфат необратимо фосфорилируется во фруктозо-1,6-дифосфат под действием фосфофруктокиназы, которая также действует на молекулу с открытой конфигурацией

4 реакция - фруктозо-1,6-дифосфат под действием альдолазы расщепляется на 2 фосфотриозы - ФГА и ДОАФ, реакция обратимая

ДОАФ может участвовать в синтезе ТАГ и ФЛ, восстанавливаясь до глицерофосфата, также участвует в глицерофосфатном челночном механизме, но основная его масса переходит в ФГА

5 реакция - ФГА окисляется с участием НАД и фосфорилируется. При этом энергия окисления трансформируется в макроэргическую связь 1,3 дифосфоглицерата.

6 реакция - 1,3-дифосфоглицерат реагирует с АДФ, отдает ей остаток фосфорной кислоты и выделяется АТФ. Так происходит субстратное фосфорилирование и образуется 3-фосфоглицерат, реакцию ускоряет фосфоглицераткиназа

7 реакция - под влиянием фосфоглицеромутазы остаток фосфорной кислоты переносится с С3 на С2 и образуется 2-фосфоглицерат

8 реакция - 2-фосфоглицерат дегидратируется енолазой. При этом за счет внутримолекулярной ОВР энергия аккумулируется в виде макроэргической связи в фосфоенолпирувате. Енолаза ингибируется ионами фторида; этим пользуются в тех случаях, когда необходимо остановить гликолиз, например, перед определением содержания глюкозы в крови. Енолаза нуждается в ионах магния и марганца:

9 реакция - ФЕП передает остаток фосфорной кислоты на АДФ, при этом образуется енолпируват и выделяется АТФ, вновь происходит субстратное фосфорилирование. Реакция ускоряется пируваткиназой. Енолпируват спонтанно превращается в ПВК.

10 реакция - ПВК в анаэробных условиях восстанавливается в молочную кислоту (лактат)

Энергетический баланс анаэробного гликолитического окисления глюкозы

Если процесс гликолиза начинается с глюкозы, то на образование фруктозо-6-фосфата и фруктозо-1,6-дифосфата затрачивается 2 молекулы АТФ. Т.к., в результате гликолиза образуется 4 АТФ, следовательно, в чистом виде запасается 2 АТФ. Если процесс гликолиза начинается с глюкозо-6-фосфата, образованного при распаде гликогена, затрачивается 1 АТФ для образования фруктозо-1,6-дифосфата, тогда выделяется 3 АТФ.

Значение гликолиза

У плода и в первые месяцы жизни преобладает анаэробный распад (окисление) глюкозы. Поэтому уровень лактата у новорожденных больше, чем у взрослых.

В некоторых тканях анаэробный гликолиз является основным источником энергии, например, в эритроцитах, хрусталике, сетчатке, мозговом веществе почек

Для большинства тканей - это аварийный путь, т.к. обеспечивает энергией в условиях гипоксии и аноксии, например в высокогорье, при интоксикации, анемии, болезнях органов дыхания, ССС, отравлении угарным газом, тяжелом физическом труде

Некоторые метаболиты гликолиза используются на синтетические процессы, например, фосфотриозы, ПВК, лактат могут использоваться на образование глюкозы - глюконеогенез; липонеогенез и синтез заменимых аминокислот

Литература

Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. «Биологическая химия», 1998 - С. 169-186, 319-359.

Полосухина Т.Я., Аблаев Н.Р. «Материалы к курсу биологической химии», 1977 - С.30-44.

Плешкова С.М., Абитаева С.А., Ерджанова С.С., Петрова Г.И. «Практикум по биологической химии», 2003 - лаб.раб.№№ 66, 67, 74.

Сеитов З.С. «Биохимия», 2000 - С. 480-506, 517-522.

Зайчик А.Ш., Чурилов Л.П. «Основы патохимии»2000 - С.218-245.

Бышевский А.Ш., Терсенов О.А. «Биохимия для врача» 1994 - С.308-312, 222-224, 227, 75-95

Harper's Biochemistry - R.K. Murray, D.K. Granner, P.A. Mayes, V.W. Rodwell - APPLETON&LANGE, Stamford, Connecticut, 2000

Биохимия человека - Р. Марри, Д. Греннер, П. Мейес, В. Родуэлл - М., Мир, 1993

Шарманов Т.Ш., Плешкова С.М. - Метаболические основы питания с курсом общей биохимии - Алматы, 1998

Размещено на Allbest.ru