Тема 3. Углеводы. Обмен углеводов
Теоретические вопросы, которые необходимо знать для изучения темы.
Понятие об углеводах, распространение их в природе и биологическая роль. Классификация углеводов. Моносахариды. Классификация. Изомерия (структурная, оптическая изомерия, цикло-оксо-таутомерия). Строение альдоз (глицеринового альдегида, рибозы, дезоксирибозы, ксилозы, галактозы и глюкозы) и кетоз (дигидроксиацетона, рибулозы, ксилулозы, фруктозы). Физические свойства моносахаридов. Химические свойства моносахаридов. Реакции на альдегидную группу (восстановление и окисление). Реакции на гидроксильные группы (с гидроксидом меди и образование уроновых кислот). Специфические реакции (эпимеризация, образование гликозидов). Дисахариды. Классификация. Строение восстанавливающих (мальтозы, лактозы, целлобиозы) и невосстанавливающих (сахарозы) дисахаридов и их биологическая роль. Физические и химические свойства дисахаридов (окисление, гидролиз). Высокомолекулярные полисахариды. Гомополисахариды (крахмал, гликоген, клетчатка), их строение и биологическая роль. Гетерополисахариды (гиалуроновая кислота, хондроитинсульфат, гепарин), их строение и биологическая роль. Переваривание углеводов. Ферменты, участвующие в расщеплении крахмала, клетчатки, лактозы, сахарозы. Всасывание углеводов. Анаэробное окисление углеводов. Гликолиз (общее представление, химизм реакций, биологическая роль). Выход АТФ при анаэробном гликолизе. Гликогенолиз (общее представление, химизм реакций, биологическая роль). Выход АТФ при гликогенолизе. Аэробное окисление углеводов (общее представление, биологическая роль). Выход АТФ. Пентозофосфатный путь превращения углеводов (ПФП). Химизм окислительной и неокислительной ветви. Биологическая роль ПФП. Глюконеогенез. Общее представление. Предшественники глюкозы. Биологическая роль глюконеогенеза. Метилмалонатный путь и его роль для жвачных животных. Регуляция обмена углеводов и нарушения обмена углеводов.
Углеводы– это альдегидо- и кетонопроизводные многоатомных спиртов, их циклические формы и продукты их конденсации.
Углеводы широко распространены в природе. Они образуются в растениях из углекислого газа и воды в результате фотосинтеза и составляют 80-90 % сухой массы растений. В организме животных содержится 1-2 % углеводов в пересчете на сухое вещество.
В организм животных углеводы поступают в виде полисахаридов (в основном крахмал и клетчатка), дисахаридов и в незначительном количестве в виде моносахаридов.
Ди- и полисахариды в желудочно-кишечном тракте подвергаются действию пищеварительных ферментов класса гидролаз, подкласса гликозидаз.
Крахмал в тонком отделе кишечника под действием амилазы поджелудочной железы расщепляется до мальтозы. Мальтаза гидролизует мальтозу до 2-х молекул a-D-глюкозы (в расчете на 1 молекулу мальтозы):
Н2О Н2О
Крахмал (n остатков a-D-глюкозы) ¾® мальтоза ¾® n молекул a-D-глюкозы
Молочный сахар лактоза расщепляется под действием лактазы:
Н2О
Лактоза ¾® b-D-галактоза + a-D-глюкоза
Сахароза подвергается действию фермента сахаразы:
Н2О
Сахароза ¾® a-D-глюкоза + b-D-фруктоза
Мальтаза, лактаза и сахараза продуцируются клетками кишечника, не выделяясь в просвет, а действуют на поверхности клеток (пристеночное пищеварение).
Клетчатка (целлюлоза), состоящая из остатков b-D-глюкозы, соединенных b-1,4-гликозидными связями, не расщепляется ферментами пищеварительных соков животных.
Под влиянием фермента целлюлазы, вырабатываемого микрофлорой рубца жвачных и слепой кишки лошадей, клетчатка гидролизуется:
Н2О
Клетчатка ¾® целлобиоза
Целлобиоза под действием целлобиазы (также вырабатывается микрофлорой) расщепляется до b-D-глюкозы.
Н2О
Целлобиоза ¾® 2 b-D-глюкозы (на 1 молекулу целлобиозы).
В дальнейшем часть b-D-глюкозы под действием ферментов микроорганизмов подвергается различным видам брожения. При этом образуются летучие жирные кислоты (уксусная, пропионовая, масляная, молочная), альдегиды, кетоны, спирты, газы. Основная масса жирных кислот всасывается слизистой оболочной многокамерного желудка жвачных. Часть из них расходуется на питание микроорганизмов и является материалом для синтеза ими аминокислот, белков, липидов, нуклеиновых кислот и других веществ. Микроорганизмы, перевариваясь в низжележащих участках желудочно-кишечного тракта, служат для получения организмом-хозяином биологически важных соединений. Организм крупного рогатого скота на 40% и более может удовлетворять свои энергетические потребности за счет всосавшихся в преджелудках жирных кислот. У коров, например половина уксусной кислоты, всосавшейся из преджелудков в кровь, поступает на биосинтез жира молока.
Всасывание моносахаридов представляет собой сложный биохимический процесс их транспорта через мембраны клеток тонкого кишечника. Проникновение моносахаридов через клеточные мембраны происходит путем диффузии и путем активного транспорта с помощью белков-переносчиков. Если принять скорость всасывания глюкозы за 100 %, то для галактозы этот показатель составляет 110 %, а для фруктозы – 43 %. Во время всасывания моносахариды фосфорилируются и частично таутомеризуются (галактоза, манноза, фруктоза) в глюкозу. Таким образом, основной моносахарид, поступающий в кровоток из кишечника, - глюкоза. По воротной вене она доставляется в печень, частично задерживается клетками печени (откладываясь про запас в виде гликогена), частично поступает в общий кровоток и извлекается клетками других органов и тканей.
Анаэробное окисление углеводов происходит в клетках, органах и тканях без участия кислорода. Если процесс начинается с превращения глюкозы и заканчивается образованием молочной кислоты, то он называется гликолизом (смотри рис. 2), если начинается с превращения гликогена – гликогенолизом.
Конечными продуктами гликолиза являются 2 молекулы L-лактата и 2 молекулы АТФ в расчете на 1 молекулу глюкозы.
В гликолизе имеются 3 необратимые реакции :гексокиназная фосфофруктокиназная и пируваткиназная. Регуляция гликолиза осуществляется на уровне фосфофруктокиназной реакции. Фермент ингибируется высоким содержанием АТФ и цитрата.
Гликогенолиз.
Гликоген представляет собой разветвленный полисахарид, состоящий из остатков a-D-глюкозы, связанных между собой в линейных участках молекулы a-1,4-гликозидными связями, а в точках разветвления a-1,6-гликозидными связями.
Под действием гликогенфосфорилазы происходит отщепление одного глюкозного остатка в линейных участках с переносом его на молекулу фосфорной кислоты, в результате чего образуется глюкозо-1-фосфат. Гликогенфосфорилаза работает до тех пор, пока до ближайшей точки ветвления не останется 4 остатка глюкозы, затем в работу включается фермент олигосахаридтрансфераза, переносящий фрагмент из 3-х глюкозных остатков на соседнюю ветвь, таким образом, в точке ветвления остается один глюкозный остаток. Он отщепляется гидролитическим путем в виде свободной молекулы глюкозы и вновь создаются условия для работы гликогенфосфорилазы в линейной цепи.
Таблица 2