Структура углеводов

При низкой концентрации инсулина и высоком уровне энергообеспеченности клетки (^АТФ, ^ ацетил-КоА и ^ НАДН·Н⁺) этот комплекс находится в неактивном состоянии. Активирование пируватдегидрогеназного комплекса индуцируется инсулином, КоА-SН, пируватом, АДФ и ионами магния.

Цикл Кребса - центральный путь обмена веществ

Этот метаболический путь назван именем открывшего его автора - Г.Кребса, получившего (совместно с Ф. Липманом) за данное открытие в 1953 г. Нобелевскую премию. В цикле лимонной кислоты улавливается большая часть свободной энергии, образующейся при распаде белков, жиров и углеводов пищи. Цикл Кребса - центральный путь обмена веществ.

NB! Функции цикла трикарбоновых кислот многообразны

· Интегративная - цикл Кребса является центральным метаболическим путем, объединяющим процессы распада и синтеза важнейших компонентов клетки.

· Анаболическая - субстраты цикла используются для синтеза многих других соединений: оксалацетат используется для синтеза глюкозы (глюконеогенез) и синтеза аспарагиновой кислоты, ацетил-КоА - для синтеза гема, б-кетоглутарат - для синтеза глютаминовой кислоты, ацетил-КоА - для синтеза жирных кислот, холестерола, стероидных гормонов, ацетоновых тел и др.

· Катаболическая - в этом цикле завершают свой путь продукты распада глюкозы, жирных кислот, кетогенных аминокислот - все они превращаются в ацетил-КоА; глутаминовая кислота - в б-кетоглутаровую; аспарагиновая - в оксалоацетат и пр.

· Собственно энергетическая - одна из реакций цикла (распад сукцинил-КоА) является реакцией субстратного фосфорилирования. В ходе этой реакции образуется одна молекула ГТФ (реакция перефосфорилирования приводит к образованию АТФ).

· Водороддонорная - при участии трех НАД⁺-зависимых дегидрогеназ ( дегидрогеназ изоцитрата, б-кетоглутарата и малата) и ФАД-зависимой сукцинатдегидрогеназы образуются 3 НАДН•Н⁺ и 1 ФАДН₂. Эти восстановленные коферменты являются донорами водорода для дыхательной цепи митохондрий, энергия переноса водородов используется для синтеза АТФ.

· Анаплеротическая - восполняющая. Значительные количества субстратов цикла Кребса используются для синтеза разных соединений и покидают цикл. Одной из реакций, восполняющих эти потери, является реакция, катализируемая пируваткарбоксилазой.

NB! Скорость реакция цикла Кребса определяется энергетическими потребностями клетки

Скорость реакций цикла Кребса коррелирует с интенсивностью процесса тканевого дыхания и связанного с ним окислительного фосфорилирования - дыхательный контроль. Все метаболиты, отражающие достаточное обеспечение клетки энергией являются ингибиторами цикла Кребса. Увеличение соотношения АТФ/АДФ -показатель достаточного энергообеспечении клетки и снижает активность цикла. Увеличение соотношения НАД/ НАДН, ФАД/ ФАДН₂ указывает на энергодефицит и является сигналом ускорения процессов окисления в цикле Кребса. Основное действие регуляторов направлено на активность трех ключевых ферментов: цитратсинтазы, изоцитратдегидрогеназы и -кетоглутаратдегидрогеназы. Аллостерическими ингибиторами цитратсинтазы являются АТФ, жирные кислоты. В некоторых клетках роль ее ингибиторов играют цитрат и НАДН. Изоцитратдегидрогеназа аллостерически активируется АДФ и ингибируется при повышении уровня НАДН+Н⁺.

Последний является ингибитором и -кетоглутаратдегидрогена, активность которой снижается также при повышении уровня сукцинил-КоА.

Активность цикла Кребса во многом зависит от обеспеченности субстратами. Постоянная “утечка” субстратов из цикла (например, при аммиачном отравлении) может вызывать значительные нарушения энергообеспеченности клеток.

NB! Пентозофосфатный путь окисления глюкозы обслуживает восстановительные синтезы в клетке.

Как видно из названия, в этом пути образуются столь необходимые клетке пентозофосфаты. Поскольку образование пентоз сопровождается окислением и отщеплением первого углеродного атома глюкозы, то этот путь называется также апотомическим (apex - вершина).

Пентозофосфатный путь можно разделить две части: окислительную и неокислительную. В окислительной части, включающей три реакции, образуются НАДФН•Н⁺ и рибулозо-5-фосфат. В неокислительной части рибулозо-5-фосфат превращается в различные моносахариды с 3, 4, 5, 6, 7 и 8 атомами углерода; конечными продуктами являются фруктозо-6-фосфат и 3-ФГА.

· Окислительная часть. Первая реакция-дегидрирование глюкозо-6-фосфата глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой с образованием д-лактона 6-фосфоглюконовой кислоты и НАДФН•Н⁺ (НАДФ⁺ - кофермент глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы).

Вторая реакция - гидролиз 6-фосфоглюконолактона глюконолактонгидролазой. Продукт реакции - 6-фосфоглюконат.

Третья реакция - дегидрирование и декарбоксилирование 6-фосфоглюконолактона ферментом 6-фосфоглюконатдегидрогеназой, коферментом которого является НАДФ⁺. В ходе реакции восстанавливается кофермент и отщепляется С-1 глюкозы с образованием рибулозо-5-фосфата.

· Неокислительная часть. В отличие от первой, окислительной, все реакции этой части пентозофосфатного пути обратимы

Транскетолаза (кофермент - тиаминпирофосфат) отщепляет двухуглеродный фрагмент и переносит его на другие сахара (см. схему). Трансальдолаза переносит трехуглеродные фрагменты.

В реакцию вначале вступают рибозо-5-фосфат и ксилулозо-5-фосфат. Это - транскетолазная реакция: переносится 2С-фрагмент от ксилулозо-5-фосфата на рибозо-5-фосфат. Затем два образовавшиеся соединения реагируют друг с другом в трансальдолазной реакции; при этом в результате переноса 3С-фрагмента от седогептулозо-7-фосфата на 3-ФГА образуются эритрозо-4-фосфат и фруктозо-6-фосфат.Это F-вариант пентозофосфатного пути. Он характерен для жировой ткани.

Однако реакции могут идти и по другому пути. Этот путь обозначается как L-вариант. Он протекает в печени и других органах. В этом случае в трансальдолазной реакции образуется октулозо-1,8-дифосфат.

Общее уравнение окислительной и неокислительной частей пентозофосфатного пути можно представить в следующем виде:

Глюкозо-6-Ф + 7Н₂О + 12 НАДФ⁺ 5 Пентозо-5-Ф + 6СО₂ + 12 НАДФН•Н⁺ + Фн.

5. Значение пентозофосфатного пути окисления глюкозы

Частью анаболических процессов являются так называемые восстановительные синтезы. В этих реакциях синтез вещества сопровождается потреблением восстановительных эквивалентов, ведущую роль среди которых, играет НАДФН+Н⁺. Роль донора данной формы восстановительных эквивалентов и выполняет пентозофосфатный путь. Синтез жирных кислот, аминокислот, стероидных гормонов - вот неполный перечень таких потребителей водородов НАДФН+Н⁺. В тканях, где интенсивно протекают данные реакции, активны и ферменты пентозофосфатного пути. К таким тканям относятся: надпочечники, печень, жировая ткань, лактирующая молочная железа. Особую функцию несет пентозофосфатный путь в эритроцитах, где водороды НАДФН+Н⁺ используется для защиты этих клеток от повреждающего действия активными формами кислорода (супероксидным анион-радикалом и пероксидом водорода).

Недостаточность глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы является наиболее частым дефектом ферментативных систем эритроцита. Насчитывается около 100 миллионов жителей нашей планеты с недостаточностью этого фермента. Многие из этих случаев вызваны генетическими изменениями структуры фермента (изоферменты с различной активностью). Проявления зависят от степени повреждения фермента: люди могут испытывать постоянный окислительный стресс, но бывает и безсимптомное течение. В тяжелых случаях заболевание проявляется в форме гемолитической анемии и хронического течения инфекционных заболеваний.

Некоторые лекарственные препараты, обладающие свойствами окислителей, могут усиливать окислительный стресс, так как стимулируют образование активных форм кислорода. У людей с недостаточностью глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы лечение этими препаратами может сопровождаться усиленным гемолизом.

Если в эритроцитах НАДФН+Н⁺ используется для борьбы с активными формами кислорода, то фагоцитирующие клетки используют НАДФН+Н⁺ для получения супероксидных анион-радикалов и других активных форм кислорода, которые играют основную роль в разрушении поглощенных бактериальных клеток. Образование супероксидного анион-радикала катализирует НАДФН-оксидаза. Эта реакция сопровождается образованием “осколка молекулы кислорода” (О₂^.-) и запускается, когда фагоцитирующая клетка заглатывает бактерию. Кислород, поглощаемый фагоцитами, используется на генерацию О₂^.-.

НАДФН + 2О₂ 2 О₂^.- + НАДФ⁺ + Н⁺

Хронический грануломатоз - наследственное заболевание, возникающее по причине дефицита НАДФН-оксидазы. Фагоциты таких людей не способны в достаточном количестве генерировать О₂^.- для разрушения поглощенных микроорганизмов.

Велико значение пентозофосфатного пути как поставщика рибозы-5-фосфата, необходимого для построения мононуклеотидов (АМФ, АДФ, АТФ, ГМФ и т.д.), олигонуклеотидов, коферментов (ФМН, ФАД, НАД, НАДФ), нуклеиновых кислот.

Следует заметить, что НАДФН•Н⁺, в отличие от НАДН•Н⁺, не является донором водородов для митохондриальной цепи ферментов. Для передачи его водородов в дыхательную цепь используются специальные трансдегидрогеназные реакции.

Регуляция. Главными регулируемыми (ключевыми) ферментами пентозофосфатного пути являются две дегидрогеназы его окислительной части: глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа и дегидрогеназа 6-фосфоглюконата. Индукторами биосинтеза этих ферментов является инсулин. Активность дегидрогеназ увеличивается при поступлении углеводов в организм и снижается при голодании и диабете.

Начальный этап пути аналогичен реакциям синтеза гликогена. Далее УДФ-глюкоза окисляется дегидрогеназой в УДФ-глюкуроновую кислоту, которая, теряя УДФ, превращается в глюкуроновую кислоту. В следующей реакции глюкуроновая кислота восстанавливается НАДФ-зависимой дегидрогеназой до L-гулоновой кислоты. Последняя в организме человека, приматов, морских свинок и некоторых птиц окисляется до 3-кетогулоновой кислоты, которая, декарбоксилируясь, превращается в L-ксилулозу. В организме большинства животных гулоновая кислота служит предшественником витамина С.

Ксилулоза может включаться в пентозофосфатный путь обмена углеводов, однако только в виде D-изомера. Изомеризация L-формы в D-форму осуществляется НАДФ-зависимыми дегидрогеназами через стадию образования спирта ксилитола. При отсутствии этих ферментов в моче резко увеличивается концентрация L-ксилулозы - синдром идиопатической пентозурии (довольно редкое наследственное заболевание).

Значение глюкуронового пути. В клетках организма глюкуроновая кислота используется для синтеза глюкозаминогликанов (гиалуроновой кислоты, хондроитинсульфатов, гепарина). УДФ-глюкуроновая кислота, связывая продукты метаболизма (например, стероидные гормоны) и чужеродные вещества (лекарственные препараты и другие ксенобиотики) в виде водорастворимых глюкуронидов легко экскретируется с желчью и мочой.

NB! Фруктоза и галактоза превращаются в глюкозу

Фруктоза образуется в кишечнике при гидролизе сахарозы сахаразой; кроме того, в состав фруктов и меда входит свободная фруктоза, которая легко всасывается. Поступая с током крови в различные органы, фруктоза подвергается следующим превращениям.

1. Фосфорилируется гексокиназой с образованием фруктозо-6-фосфата, который изомеризуется в глюкозо-6-фосфат - центральный метаболит обмена глюкозы. У человека фруктоза в свободном, т.е. нефосфорилированном виде, находится только в семенной жидкости.

2. Фосфорилируется фруктокиназой (в печени) с образованием фруктозо-1-фосфата, который расщепляется альдолазой В на триозы.

При врожденном недостатке фруктокиназы нарушается образование фруктозо-1-фосфата. В связи с блоком этого фермента возможно протекание только реакции, катализируемой гексокиназой, но она имеет низкое сродство к фруктозе (высокое значение К_M к фруктозе), поэтому фруктоза накапливается в крови и выделяется с мочой(почечный порог для фруктозы низок) - эссенциальная фруктозурия.

При недостаточности альдолазы В (фруктозо-1-фосфат-альдолазы) в тканях накапливается фруктозо-1-фосфат, являющийся ингибитором альдолазы А. Дефект альдолаз приводит к нарушениям реакций гликолиза и глюконеогенеза.

Клинически недостаточность альдолаз проявляется гипогликемией после приема содержащей фруктозу пищи, в том числе сладких блюд, так как в них кладут сахар (сахарозу). Для гипогликемического синдрома характерны рвота через 30 мин после приема пищи, холодный пот, судороги, боль в животе, понос. При длительном потреблении небольших количеств фруктозы наблюдаются увеличение печени, общая гипотрофия.

При исключении фруктозы и сахарозы из рациона неблагоприятные симптомы исчезают.

Восстанавливается в сорбитол сорбитолдегидрогеназой (см восстановительный путь обмена глюкозы).

Обмен галактозы.

Галактоза входит в состав молочного сахара лактозы. В печени галактоза фосфорилируется галактокиназой с образованием галактозо-1-фосфата. Следующая реакция катализируется уридилтрансферазой, переносящей УДФ от УДФ-глюкозы на галактозо-1-фосфат. Наконец, УДФ-галактоза эпимеризуется эпимеразой в УДФ-глюкозу, которая может превращаться в глюкозо-1-фосфат ферментом пирофосфорилазой.

Недостаточность галактокиназы проявляется катарактой (галактитол - осмотически активное соединение, вызывающее помутнение хрусталика глаза). Наиболее распространенным и тяжелым является врожденный дефект уридилтрансферазы (галактозо-1-фосфат-уридилтрансферазы). Он проявляется синдромом галактоземия. При этом заболевании из-за недостаточности уридилтрансферазы в крови резко повышается содержание галактозо-1-фосфата и галактозы, дающие положительную реакцию на “сахар” крови. Сахар обнаруживается в моче (галактозурия). Синдром галактоземии проявляется желтухой новорожденных, гепатомегалией, задержкой психического развития. Заподозрить этот дефект можно на основании рвоты, возникающей после кормления ребенка грудью, поноса, прогрессирующей катаракты.

При исключении из рациона галатозы (молока) проявления заболевания значительно уменьшаются, однако катаракта не исчезает.

Гликогеновые болезни

Гликогеновые болезни относятся к наследственным нарушениям обмена. Они делятся на две основных группы.

1. Гликогенозы - развиваются в результате недостаточной активности или отсутствия ферментов, ответственных за распад гликогена.

2. Агликогенозы - результат недостаточности ферментов синтеза гликогена.

Гликогенозы - болезни накопления. В зависимости от места дефекта того или иного фермента распада гликогена гликогенозы подразделяются на несколько типов. Из них наиболее распространен I тип (болезнь Гирке) - результат недостаточности глюкозо-6-фосфатазы. Клетки печени и почек заполнены гликогеном, введение адреналина или глюкагона не вызывает повышения уровня глюкозы в крови, гипогликемия натощак, особенно после сна; у таких людей развивается гепатомегалия и нарушаются функции печени и почек.

II тип (болезнь Помпе) - отсутствие лизосомальной ?-(1--4) и ?(1--6)-глюкозидазы (кислой мальтазы), . Отмечается генерализованное поражение всех органов.

III тип (лимитдекстриноз, болезнь Форбса, или болезнь Кори) - дефект деветвящего фермента (амило-1,6-гликозидазы). В печени и мышцах накапливается характерный разветвленный полисахарид (остаточный (лимит) декстрин).

IV тип (амилопектиноз , болезнь Андерсен) - дефект фермента ветвления. Структура молекулы гликогена представлена очень короткими ветвями. Обычно заканчивается летальным исходом в первый год жизни из-за сердечной или печеночной недостаточности.

Vтип (болезнь Мак-Ардля) -недостаточность мышечной фосфорилазы. У больных снижена выносливость к физическим нагрузкам; хотя мышечные клетки и заполнены гликогеном (до 4 % от массы мышц), после физической нагрузки лактат в крови не обнаруживается.

VI тип (болезнь Херса) - недостаточность фосфорилазы в печени. Структура гликогена при этом не нарушена. У таких больных развивается гепатомегалия.

Имеются и другие разновидности гликогенозов, связанные с недостаточностью ферментов обмена гликогена и глюкозы: болезнь Таруи (VII тип) - недостаточность фосфофруктокиназы в мышцах и эритроцитах, болезнь Томпсона (VIII тип) -недостаточность ингибиторов фосфогексоизомеразы, болезнь Хага (IX тип) - недостаточность киназы фосфорилазы b.

При агликогенозах в результате нарушения синтеза гликогена страдают энергетические ресурсы клетки.

6. Регуляция углеводного обмена

Регуляция углеводного обмена осуществляется на всех его этапах нервной системой и гормонами. Помимо этого, активность ферментов отдельных путей метаболизма углеводов регулируется по принципу “обратной связи”, в основе которого лежит аллостерический механизм взаимодействия фермента с эффектором. К аллостерическим эффекторам можно отнести конечные продукты реакции, субстраты, некоторые метаболиты, адениловые мононуклеотиды. Важнейшую роль в выборе направленности углеводного обмена (синтез или распад углеводов) играет соотношение коферментов НАД⁺/НАДН•Н⁺ и энергетический потенциал клетки. углевод моносахарид глюкоза спирт

Постоянство уровня глюкозы в крови - важнейшее условие поддержания нормальной жизнедеятельности организма. Нормогликемия является результатом слаженной работы нервной системы, гормонов и печени.

Печень - единственный орган, депонирующий глюкозу (в виде гликогена) для нужд всего организма. Благодаря активной фосфатазе глюкозо-6-фосфата гепатоциты способны образовывать свободную глюкозу, которая, в отличие от ее фосфорилированных форм, может проникать через мембрану клеток в общий круг кровообращения.

Выдающуюся роль среди гормонов играет инсулин. Он оказывает действие только на инсулинзависимые ткани, прежде всего, на мышечную и жировую. Мозг, лимфатическая ткань, эритроциты относятся к инсулиннезависимым. Поступление глюкозы в печеночные клетки и выход глюкозы в кровь из печени также являются независимыми от инсулина процессами.

Наиболее существенным действием инсулина на организм является снижение нормального или повышенного уровня глюкозы в крови - вплоть до развития гипогликемического шока при введении высоких доз инсулина. Уровень глюкозы в крови снижается в результате: 1) ускорения поступления глюкозы в клетки; 2)повышения использования глюкозы клетками.

Инсулин ускоряет поступление моносахаридов в инсулинзависимые ткани, особенно глюкозы (а также сахаров схожей конфигурации в положении С-1- С-3), но не фруктозы. Связывание инсулина со своим рецептором на плазматической мембране приводит к перемещению запасных белков-переносчиков глюкозы (ГЛУТ 4) из внутриклеточных депо и включению их в мембрану.

Инсулин активирует использование клетками глюкозы путем:

активирования и индукции синтеза ключевых ферментов гликолиза (глюкокиназы, фосфофруктокиназы, пируваткиназы);

увеличения включения глюкозы в пентозофосфатный путь (активирование дегидрогеназ глюкозо-6-фосфата и 6-фосфоглюконата);

повышения синтеза гликогена за счет стимуляции образования глюкозо-6-фосфата и активирования гликогенсинтазы (одновременно инсулин ингибирует гликогенфосфорилазу);

торможения активности ключевых ферментов глюконеогенеза (пируваткарбоксилазы, фосфоенолпируваткарбоксикиназы, дифосфатазы, глюкозо-6-фосфатазы) и репрессии их синтеза (уставлен факт репрессии гена фосфоенолпируваткарбоксикиназы).

Другие гормоны, как правило, способствуют увеличению содержания глюкозы в крови.

Глюкагон и адреналин приводят к росту гликемии путем активации гликогенолиза в печени (активирование гликогенфосфорилазы), однако в отличие от адреналина глюкагон не влияет на гликогенфосфорилазу мышц. Кроме того, глюкагон активирует глюконеогенез в печени, следствием чего также является увеличение концентрации глюкозы в крови.

Глюкокортикоиды способствуют повышению уровня глюкозы в крови за счет стимуляции глюконеогенеза (ускоряя катаболизм белков в мышечной и лимфоидной тканях, эти гормоны увеличивают содержание в крови аминокислот, которые, поступая в печень, становятся субстратами глюконеогенеза). Кроме того, глюкокортикоиды препятствуют утилизации глюкозы клетками организма.

Гормон роста вызывает увеличение гликемии опосредованно: стимулируя распад липидов, он приводит к увеличению уровня жирных кислот в крови и клетках, снижая тем самым потребность последних в глюкозе (жирные кислоты - ингибиторы использования глюкозы клетками).

Тироксин, особенно вырабатываемый в избыточных количествах при гиперфункции щитовидной железы, также способствует повышению уровня глюкозы в крови (за счет увеличения гликогенолиза).

При нормальном уровне глюкозы в крови почки полностью ее реабсорбируют и сахар в моче не определяется. Однако если гликемия превышает 9-10 ммоль/л (почечный порог), то появляется глюкозурия. При некоторых поражениях почек глюкоза может обнаруживаться в моче и при нормогликемии.

В норме содержание глюкозы в крови натощак обычно ниже 6 ммоль/л, уровень в пределах 6-8 ммоль/л должен рассматриваться как пограничное состояние, а равный или превышающий 8 ммоль/л может служить диагнозом сахарного диабета.

Проверка способности организма регулировать содержание глюкозы в крови (толерантность к глюкозе) используется для диагностики сахарного диабета при постановке перорального глюкозо-толерантного теста. Первая проба крови берется натощак после ночного голодания. Затем больному в течение 5 мин. дают выпить раствор глюкозы из расчета 1 г глюкозы на кг массы тела (1,5 г сахарозы) в 200 мл воды. После этого каждые 30 мин на протяжении 2 ч определяют содержание глюкозы в крови и полученные результаты используют для построения “сахарных кривых”. Гликемические кривые у детей имеют такой же характер, что и у взрослых, с тем лишь отличием, что повышение концентрации глюкозы в крови у детей после нагрузки меньшее.

У больных с разными формами диабета нарастание гликемической кривой происходит медленнее, достигая через 30-60 мин значительной величины (более чем в 1,8 раза превышая исходное значение). Нагрузка глюкозой в большинстве случаев сопровождается глюкозурией (почечный порог = 10 ммоль/л). Максимум гликемии достигается позже, подъём кривой - выше. Понижение кривой происходит очень медленно, чаще оно растягивается на 3-4 часа.

При гиперфункции щитовидной железы гликемические кривые характеризуются более быстрым, чем в норме, подъёмом, что, возможно, вызвано более интенсивным обменом веществ и возбуждением симпатической нервной системы.

У больных с аденомой островков Лангерганса, гипотиреозом, болезнью Аддисона отмечается низкий исходный уровень глюкозы. Вершина гликемической кривой уплощена. Возможно появление глюкозурии на фоне нормогликемии (ренальная глюкозурия).

Размещено на Allbest.ru