ОБМЕН УГЛЕВОДОВ

• ЛЕКЦИЯ – 1

Лектор:

профессор

Шарапов В.И.

2014г.

• Классификация

углеводов

• Переваривание

углеводов

• Гликолиз

• Пентозо-

фосфатный цикл

• Лечебный факультет

ФУНКЦИИ УГЛЕВОДОВ

• АКТУАЛЬНОСТЬВажность изучения обмена углеводов в организме человека определяется их значением в обеспечении клетки энергией. До 50% потребности в АТФ организмом человека покрывается за счет углеводов

• ЦЕЛЬ ЛЕКЦИИ:

Дать представление о

механизмах переваривания, всасывания углеводов, окислении глюкозы в гликолизе и пентозо-фосфатном цикле.

ПЛАН ЛЕКЦИИ

• 1. Функции углеводов,

• 2. Классификация углеводов,

• 3. Переваривание и всасывание

углеводов,

• 4. ГЛИКОЛИЗ - 1-й этап окисления

глюкозы. Регуляция

• 5. ПЕНТОЗОФОСФАТНЫЙ ЦИКЛ

• 6. Молекулярные нарушения углеводного

обмена.

ФУНКЦИИ УГЛЕВОДОВ

• ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ - углеводы (глюкоза и

гликоген) главный источник образования макроэргических химических связей, удовлетворяют примерно половину всей потребности человека в энергии

• ПЛАСТИЧЕСКАЯ (СТРУКТУРНАЯ) -углеводы являются обязательным компонентом клеточных структур (пентозы нуклеотидов, углеводы гликолипидов и гликопротеинов, гетерополисахариды межклеточного вещества).

• Углеродный скелет углеводов используется для синтеза некоторых жирных кислот и аминокислот.

ФУНКЦИИ УГЛЕВОДОВ

• ЗАЩИТНАЯ – Углеводы участвуют в антигенном маркировании клеток в составе иммуноглобулинов, определяют строение и функции клеточных рецепторов.

• Антикоагулянтная – Гетерополисахариды (гепарин) препятствует свертыванию крови.

• Осморегуляторная - Углеводы обладают

высокой осмотической активностью.

• Обезвреживающая - Глюкуроновые кислоты

участвуют в детоксикации ксенобиотиков.

Источники углеводов

• Пищевые источники

• Собственный синтез (глюконеогенез, пентозофосфатный цикл, взаимопревращение фосфогексоз друг в друга) – способен ПОЛНОСТЬЮ удовлетворить потребность организме в углеводах.

КЛАССИФИКАЦИЯ УГЛЕВОДОВ

1. МОНОСАХАРИДЫ:

- альдозы: R-C-H (глюкоза, галактоза, рибоза) ιι

O Oιι

- кетозы: (рибулоза, фруктоза) R-C-CH2OH

2. ОЛИГОСАХАРИДЫ:- мальтоза, лактоза, сахароза

3. ПОЛИСАХАРИДЫ:

ПОЛИСАХАРИДЫ

• По строению:

– гомополисахариды: крахмал, гликоген, целлюлоза,

– гетерополисахариды: инулин, хитин, гепарин, гликопротеиды, протеогликаны.

• По функции:

–структурные: целлюлоза,

–резервные: крахмал, гликоген.

КРАХМАЛ и ГЛИКОГЕН

• КРАХМАЛ - смесь 2-х гомополисахаридов:

1. Амилоза (15-20%) - линейный полисахарид ( -1,4

глюкозидная связь)

2. Амилопектин (80-85%) - линейные цепи - 24-30

остатков глюкозы - -1,4 глюкозидная связь, точки

ветвления - -1,6 глюкоз. связь,

• ГЛИКОГЕН - линейные цепи - 11-18 остатков

глюкозы (более разветвленная структура).

• ЦЕЛЛЮЛОЗА - -1.4-глюкозидная связь.

Изомерия углеводов в организме

• В норме более 90% моносахаров представлены циклотаутомерами.

• У циклотаутомеров гексоз (кроме фруктозы) преобладают пиранозные циклы.

• Из них более 60% представляют собой β-аномеры.

• В организме усваиваются только D-сахара

ПЕРЕВАРИВАНИЕ УГЛЕВОДОВ

• Ротовая полость: -амилаза слюны,

• Кишечник:

– полостное пищеварение,

• панкреатическая -амилаза,

• амило-1,6-глюкозидаза,

• олиго-1,6-глюкозидаза.

– пристеночное пищеварение

• мальтаза, сахараза, лактаза.

ФЕРМЕНТЫ ПЕРЕВАРИВАНИЯ

УГЛЕВОДОВ

• Глюкозидазы (амилазы) - осуществляют

гидролиз -1,4-глюкозидных связей:

– -амилаза - эндоамилаза (продукты

гидролиза - декстрины, мальтоза, глюкоза)

– -амилаза - экзоамилаза (мальтоза)

– -амилаза - экзоамилаза (глюкоза)

• Гидролиз -1,6-глюкозидных связей:

– амило-1,6-глюкозидаза,

– олиго-1,6-глюкозидаза.

ФЕРМЕНТЫ ПЕРЕВАРИВАНИЯ

УГЛЕВОДОВ (продолжение)

• Гидролиз -1,4-глюкозидных связей

дисахаридов:

• мальтаза

- мальтоза глюкоза + глюкоза,

• сахараза

- сахароза глюкоза + фруктоза,

• лактаза

- лактоза глюкоза + галактоза.

ВСАСЫВАНИЕ УГЛЕВОДОВ

• ГЛЮКОЗА, ФРУКТОЗА, ГАЛАКТОЗА -- облегченный транспорт – при высоких концентрациях в кишечнике

• - активный (АТФ-зависимый) транспорт по

механизму симпорта (вместе с ионами Na) -обеспечивает всасывание углеводов при их низких концентрациях в кишечнике

• ДРУГИЕ УГЛЕВОДЫ - всасываются по

механизму облегченного транспорта при участии специфических белков-переносчиков:

ВСАСЫВАНИЕ УГЛЕВОДОВ

Транспорт глюкозы через клеточные мембраны

• Осуществляется специальным интегральным белком клеточных мембран: Glucose Transporter (GluT).

• Изоформы GluT:

• инсулиннезависимый – нервная

ткань (GluT-3), печень (GluT-2),

• инсулинзависимый – жировая ткань,

мышцы (GluT-4).

ОБМЕН УГЛЕВОДОВ

УГЛЕВОДЫ ПИЩИ

(переваривание, всасывание)

Г Л Ю К О З А

I.ГЛЮКОЗО-6-ФОСФАТ

II. ДЕПОНИ- ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПЛАСТИЧЕСКИЙ

РОВАНИЕ ОБМЕН ОБМЕН

ПРЕВРАЩЕНИЕ ГЛЮКОЗЫ В ОРГАНИЗМЕ

• I. ОБРАЗОВАНИЕ КЛЮЧЕВОГО СОЕДИНЕНИЯ

ГЛЮКОЗА + АТФ ГЛЮКОЗО-6-ФОСФАТ + АДФ

1. ГЛЮКОЗА «запирается» в клетке (ГЛ-6-Ф не проникает через мембраны),

2. ГЛ-6-Ф - ключевое соединение, включается в последующие превращения (метаболизм)

I. ДЕПОНИРОВАНИЕ И МОБИЛИЗАЦИЯ УГЛЕВОДОВ

• СИНТЕЗ ГЛИКОГЕНА -ГЛИКОГЕНОГЕНЕЗ,

• РАСПАД ГЛИКОГЕНА -ГЛИКОГЕНОЛИЗ

II. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН

ПОЛНЫЙ РАСПАД ГЛЮКОЗЫ до СО2 и Н2О

с образованием АТФ:

1-й этап - ГЛИКОЛИЗ: ГЛ-6-Ф ПИРУВАТ

2-й этап - ОКИСЛ.ДЕКАРБОКС. ПВК ацетил-КоА

3-й этап - цикл КРЕБСА: ацетил-КоА СО2

4-й этап – тканевое дыхание

НАДН ЦПЭ синтез АТФ

+ Н2О

III. ПЛАСТИЧЕСКИЙ ОБМЕН

• ОКИСЛЕНИЕ ГЛЮКОЗЫ ВПЕНТОЗОФОСФОТНОМ ЦИКЛЕ

(ПФЦ)ОБЕСПЕЧИВАЕТ ОРГАНИЗМ:

1. НАДФН - восстановительный синтез холестерина, жирных кислот, гормонов

2. ПЕНТОЗОФОСФАТАМИ - синтез нуклеиновых кислот и

коферментов

ГЛИКОЛИЗ

• Гликолиз (брожение) — это катаболический путь обмена глюкозы в цитоплазме;

• протекает почти во всех клетках как в АЭРОБНЫХ, так и в АНАЭРОБНЫХ условиях.

ГЛИКОЛИЗ

–В АНАЭРОБНЫХ условиях –– Завершенный окислительно-

восстановительный цикл,– конечный продукт: ЛАКТАТ

–В АЭРОБНЫХ условиях –– первый этап полного окисления глюкозы,– конечные продукты: ПИРУВАТ и НАДН

–СУММАРНОЕ УРАВНЕНИЕ ГЛИКОЛИЗА:

• С6Н12О6 +2АДФ+2Фн 2С3Н6О3 +2АТФ

+2Н2О

РЕАКЦИИ ГЛИКОЛИЗА

РЕАКЦИИ ГЛИКОЛИЗА

ГЛЮКОЗА

АТФ гексокиназа, Мg2+

ГЛЮКОЗО-6-ФОСФАТ

гексозофосфатизомераза

ФРУКТОЗО-6-ФОСФАТ

АТФ фосфофруктокиназа, Мg2+

ФРУКТОЗО-1,6-БИФОСФАТ

альдолаза

РЕАКЦИИ ГЛИКОЛИЗА (альдолазная реакция)

СН2-О-Ф Н-С=О

С=О Н-С-ОН ГлД-3-Ф

НО-С-Н СН2-О-Ф

Н-С-ОН +

Н-С-ОН СН2-О-Ф

СН2О-Ф С=О ДАФ

фр-1,6-бифосфат СН2-ОН

РЕАКЦИИ ГЛИКОЛИЗА (продолжение)

триозофосфатизомераза

ГЛИЦЕРАЛЬДЕГИД-3-Ф ДИГИДРОКСИАЦЕТОНФОСФАТ

ГлД-дегидрогеназа 2 НАДН

(2) 1,3-ДИФОСФОГЛИЦЕРАТ

фосфоглицераткиназа 2 АТФ

(2) 3-ФОСФОГЛИЦЕРАТ

фосфоглицеромутаза

(2) 2-ФОСФОГЛИЦЕРАТ

енолаза

РЕАКЦИИ ГЛИКОЛИЗА (продолжение)

(2) ФОСФОЕНОЛПИРУВАТ

пируваткиназа 2 АТФ

(2) ПИРУВАТ (2) ЛАКТАТ

лактатдегидрогеназа

2-й ЭТАП ОКИСЛЕНИЯ - КОНЕЧНЫЙ

ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ ПРОДУКТ

ПИРУВАТА

(АЭРОБНЫЕ условия) (АНАЭРОБНЫЕ условия)

АНАЭРОБНЫЙ ГЛИКОЛИЗ

• Поддерживает энергообеспечение мышц при интенсивной работе в условиях недостатка кислорода,

• Сохраняет активность нервной и других тканей при недостатке кислорода,

• Единственный источник образования АТФ в эритроцитах

ГЛИКОЛИТИЧЕСКАЯ ОКСИДОРЕДУКТАЦИЯ

ГЛД-3Ф 1,3-ди-Ф-гл 3-Ф-глицерат

2-Ф-глицерат

НАДН НАД

фосфоенолпируват

лактат пируват

лактатдегидрогеназа

АЭРОБНЫЙ ГЛИКОЛИЗ

• Конечные продукты:

ПИРУВАТ НАДН

окислительное транспорт

декарбокси- в

лирование митохондрии

ЧЕЛНОЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

ТРАНСПОРТА Н+

В МИТОХОНДРИИ

ГЛИЦЕРОФОСФАТНЫЙ челночный механизм

цитозоль митохондрия

НАД Глц-3-ф Глц-3-ф ФАД

Гл-ф-дегидро- Гл-ф-дегидро-

геназа геназа

НАДН ДАФ ДАФ ФАДН

ЦПЭ

ЧЕЛНОЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

ТРАНСПОРТА Н+

В МИТОХОНДРИИ

• МАЛАТ-АСПАРТАТНЫЙ челночный механизм

цитозоль митохондрия

НАД малат малат НАДМДГ МДГ МДГ

ЩУК ЩУК-кг -кг

НАДН асп асп НАДН

глутамат глутаматЦПЭ

РЕГУЛЯЦИЯ ГЛИКОЛИЗА

• РЕАКЦИИ, ЛИМИТИРУЮЩИЕ СКОРОСТЬ ГЛИКОЛИЗА:

• ФОСФОФРУКТОКИНАЗНАЯ – активаторы: АДФ, АМФ,

– ингибиторы: АТФ, цитрат

• ГЕКСОКИНАЗНАЯ– глюкокиназа печени (Km= 12mM не ингб Гл-6-Ф)

– гексокиназа в тканях (Km= 0.1mM ингиб Гл-6-Ф)

• ПИРУВАТКИНАЗНАЯ– регуляторы: Mg2+, Mn2+, K+

ОБРАЗОВАНИЕ АТФ

при полном окислении 1 мол глюкозы

ГЛЮКОЗА

аэробное окисление анаэробное окисление

1 этап 6-8 АТФ 2 АТФ

2 пируват 2 лактат

2 этап 6 АТФ окисл.

декарбоксилирование

2 ацетил-КоА

3 этап 24 АТФ цикл Кребса

СО2 + Н2О

СУММА: 36-38 АТФ 2 АТФ

2 ЭТАП - окислительное декарбоксилирование ПВК

2 ПИРУВАТ 2 АЦЕТИЛ Ко-А

2 НАДН - 6 АТФ

3 ЭТАП - цикл КРЕБСА1. Изоцитратдегидрогеназная реакция:

2 молекулы НАДН - 6 АТФ

2. -Кетоглутаратдегидрогеназаная реакция:

2 молекулы НАДН - 6 АТФ

3. Сукцинатдегидрогеназная реакция:

2 молекулы ФАДН - 4 АТФ

4. Малатдегидрогеназная реакция:

2 молекулы НАДН - 6 АТФ

5. Сукцинат-КоА-синтетазная реакция:

2 молекулы ГТФ = 2 АТФ

ПЕНТОЗОФОСФАТНЫЙ ЦИКЛ

• АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ путь окисления глюкозы, конечные продукты: НАДФН и ФОСФОПЕНТОЗЫ

• АКТИВНОСТЬ ПФЦ наиболее высокая:

– жировая ткань, печень, надпочечники, эмбриональная ткань, половые железы, молочные железы, костный мозг и др. тк.

– печень: ПФЦ окисляет до 30% глюкозы,

– эритроциты - 7% глюкозы,

– нервная ткань - 2% глюкозы.

ПЕНТОЗОФОСФАТНЫЙ ЦИКЛ

1. ОКИСЛИТЕЛЬНАЯ СТАДИЯ

2. НЕОКИСЛИТЕЛЬНАЯ СТАДИЯ

(взаимопревращения сахаров)

СУММАРНОЕ УРАВНЕНИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНОЙ СТАДИИ:

Глюкозо-6-фосфат + 2 НАДФ

рибулозо-5-фосфат + 2 НАДФН + СО2

ОКИСЛИТЕЛЬНАЯ СТАДИЯ ПЕНТОЗОФОСФАТНОГО ЦИКЛА

1. Глюкозо-6-фосфат 6-фосфоглюконолактон

НАДФ + гл-6-ф-дегидрогеназа НАДФН

2. 6-фосфоглюконолактон 6-фосфоглюконат

глюконолактоназа

3. 6-фосфоглюконат рибулозо-5-фосфат + СО2

НАДФ+ 6-фосфоглюконатдегидрогеназаНАДФН

НЕОКИСЛИТЕЛЬНАЯ СТАДИЯ ПЕНТОЗОФОСФАТНОГО ЦИКЛА

РЕАКЦИИ ВЗАИМОПРЕВРАЩЕНИЯ САХАРОВ

промежуточный продукты реакций:

– рибулозо-5-фосфат

– рибозо-5-фосфат

– седогептулозо-7-фосфат

– фруктозо-6-фосфат

– ксилулозо-5-фосфат

– глицеральдегид-3-фосфат

– эритрозо-4-фосфат

ФЕРМЕНТЫ неокислительной стадии ПФЦ

• Трансальдолазы

• Транскетолазы

–кофермент: тиаминдифосфат (вит. В1)

• СУММАРНОЕ УРАВНЕНИЕ ПФЦ:

глюкозо-6-фосфат + 7 Н2О + 12 НАДФ

6 СО2 + 12 НАДФН + Н3РО4

ЗНАЧЕНИЕ ПФЦ

• ОКИСЛЕНИЕ ГЛЮКОЗЫ В

ПЕНТОЗО-ФОСФОТНОМ ЦИКЛЕ (ПФЦ)

ОБЕСПЕЧИВАЕТ ОРГАНИЗМ:

1. ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫМИ

ЭКВИВАЛЕНТАМИ (НАДФН)

2. ПЕНТОЗОФОСФАТАМИ

(рибозо-5-фосфат)

НАДФН - донор водорода

1. Синтез жирных кислот и других структурных и резервных липидов,

2. Синтез холестерина, желчных кислот,

3. Синтез стероидных гормонов (мужские и женские половые гормоны, кортикостероиды),

4. Синтез витамина D,

5. Микросомальное окисление в печени ядов, лекарственных веществ, эндогенных соединений,

6. Восстановление глютатиона - антиоксиданта

РИБОЗО-5-ФОСФАТ

• Синтез нуклеозидов

• синтез нуклеотидов (нуклеотидмоно-, ди-, трифосфатов)

• синтез нуклеотидных коферментов (НАД, НАДФ, ФАД, КоА)

• синтез полимерных производных нуклеотидов - НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ (ДНК, РНК, косвенно -синтез БЕЛКА

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ НАРУШЕНИЯ УГЛЕВОДНОГО ОБМЕНА

1. Первичное нарушение всасывания глюкозы и галактозы,

2. Врожденная недостаточность лактазы,

3. Недостаточность сахаразы-изомальтазы,

4. Непереносимость лактозы,

5. Наследственная непереносимость фруктозы,

6. Недостаточность фруктозо-1,6-ф-альдолазы,

7. Эссенциальная фруктозурия,

8. Галактоземия.

ГАЛАКТОЗЕМИЯ

МЕТАБОЛИЗМ ГАЛАКТОЗЫ В НОРМЕ:

1. Галактоза + АТФ галактозо-1-ф + АДФ

галактокиназа

2. галактозо-1-ф + УДФ-глюкоза глюкозо-1-ф

+УДФ-галактоза

гексозо-1-ф-уридилилтрансфераза

3. УДФ-галактоза УДФ-глюкоза

галактозо-УДФ-эпимераза

ГАЛАКТОЗЕМИЯ

• Дефицит галактокиназы (1-я реакция):

накапливается в крови галактоза, что ведет к ухудшению зрения, умственная отсталость,

в моче - галактоза, дульцит

• Дефицит гексозо-1-ф-уридилилтрансферазы

накапливается в крови галактозо-1-ф, дульцит:

– развивается катаракта, желтуха, диарея, гипотрофия

ИСКЛЮЧИТЬ ГАЛАКТОЗУ ИЗ ПИЩИ

ЛИТЕРАТУРА • Биологическия химия: учебник для студентов

медицинских вузов/ Т.Т.Березов, Б.Ф.Коровкин.-М.:Медицина, 2004.- 704с.

• Биологическия химия: учебник для студентов медицинских вузов/ А.Я. Николаев.- М.:Мед.инф.агентство, 2007.- 568с.

• Биохимия [ Электронный ресурс]:учебное пособие/ А.Д.Дмитриев, Е.Амбросьева.- М.:Дашков и К, 2009.- 166с.

• Биологическая химия с упражнениями и задачами: учебник/ред. С.Е.Северин.- М.:ГЭОТАР-Медиа, 2013.- 624с.

• Биохимия: учебник для вузов/ ред. С.Е.Северин.-М.:ГЭОТАР-Медиа, 2007.- 784с.