Главная страница

3_Метаболизм углеводов и его регуляция.doc. Метаболизм углеводов и его регуляция


Скачать 319,5 Kb.
НазваниеМетаболизм углеводов и его регуляция
Анкор3_Метаболизм углеводов и его регуляция.doc.doc
Дата17.10.2017
Размер319,5 Kb.
Формат файлаdoc
Имя файла3_Метаболизм углеводов и его регуляция.doc.doc
ТипДокументы
#34211
страница1 из 4
Каталогarkhipovamar

С этим файлом связано 67 файл(ов). Среди них: [MedBooks-Медкниги]Посттравматический-стресс-и-некоторые-способы, 5_Обмен сложных белков.doc.doc, 4_Химия и обмен липидов.doc.doc, 3_Метаболизм углеводов и его регуляция.doc.doc, 2_Метаболизм простых белков и аминокислот.doc.doc, СПИСКИ СНОК.xlsx, Artrologia_Gayvoronskiy.pdf, Myshtsy_Gayvoronskiy.pdf и ещё 57 файл(а).
Показать все связанные файлы
  1   2   3   4


Обмен углеводов, Р.101000

МЕТАБОЛИЗМ УГЛЕВОДОВ И ЕГО РЕГУЛЯЦИЯ.
Углеводы человек получает с пищей в основном в виде полисахаридов (растительного крахмала, клетчатки (целлюлозы), меньше - гликогена), в меньших количествах в виде дисахаридов, и совсем немного - моносахаридов. Переваривание углеводов в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ) человека не относится к метаболизму, поскольку желудочно-кишечный тракт рассматривается как часть внешней среды.

Переваривание начинается в ротовой полости. Слюнными железами выделяется фермент "-амилаза слюны". Этот фермент способен расщеплять -1,4-гликозидные связи в молекулах растительного крахмала (смесь полисахаридов амилозы и амилопектина) и гликогена (животного крахмала). Строение крахмала и гликогена представлено на рисунках:


В отличие от линейной структуры амилозы, в составе которой только 1,4--гликозидные связи, молекулы амилопектина и гликогена разветвлены. Связи в точках ветвления - 1,6--гликозидные.



Молекулы амилопектина - одного из компонентов растительного крахмала похожи по структуре на молекулы гликогена, но не идентичны им. Молекула гликогена отличается от молекулы амилопектина в 2 раза большей разветвленностью. Это означает, что если в молекуле амилопектина на одну 1,6--гликозидную связь приходится 18-20 1,4--гликозидных связей, то в гликогене - всего лишь 8-10 1,4--гликозидных связей. Поэтому гликоген, по сравнению с амилопектином, является более компактной структурой, и, например, при одинаковом занимаемом объеме, гликоген содержит в 2 раза больше глюкозных остатков, чем амилопектин. Такая компактность имеет большое значение для человека и животных, так как внутреннее пространство организма ограничено в объеме.

ПЕРЕВАРИВАНИЕ И ВСАСЫВАНИЕ УГЛЕВОДОВ
Потенциально -амилаза слюны в ротовой полости способна расщепить пищевой крахмал или гликоген до дисахаридов мальтозы и изомальтозы. Это можно подтвердить, подержав длительное время во рту кусочек несладкого хлеба или булки. Через некоторое время можно почувствовать сладкий вкус, придаваемый образовавшейся мальтозой. Но в реальных условиях пища находится во ротовой полости не слишком длительное время и мальтоза не образуется. В этом случае -амилаза слюны успевает расщепить только некоторые 1,4--гликозидные связи, и образуются промежуточные продукты расщепления - декстрины, представляющие из себя полисахаридные фрагменты различной протяженности. В зависимости от длины их молекулы они могут называться по-разному. Например, более длинные молекулы иногда называют эритродекстринами, а более короткие относятся к мальтодекстринам.

Затем полупереваренные полисахариды, находящиеся в составе пищевого комка, проглатываются и попадают в желудок. Здесь эффективного переваривания углеводов не происходит, т.к. кислая среда полости желудка далека от pH-оптимума амилазы, и поэтому здесь фермент теряет свою активность. Теоретически переваривание может продолжаться только внутри пищевого комка, и, лишь при том условии, что пищевая масса интенсивно не перемешивается с желудочным соком.

Переваривание углеводов возобновляется при поступлении пищевых масс из желудка в тонкий кишечник. Поступающий оттуда кислый химус нейтрализуется щелочными солями (бикарбонатами), поступающими в 12-перстную кишку вместе с соком поджелудочной железы. К тому же, в стенке этой кишки есть железы, тоже вырабатываюшие бикарбонаты. Таким образом, среда в просвете 12-перстной кишки имеет слабощелочную реакцию, близкую к рН-оптимуму панкреатической -амилазы.

Панкреатическая -амилаза завершает расщепление полисахаридов и олигосахаридов до дисахарида мальтозы.

Дисахарид мальтоза и остальные дисахариды, поступившие с пищей расщепляются ферментами пристеночного переваривания углеводов до моносахаридов. Эти ферменты выделяются слизистой оболочкой кишечника в составе кишечного сока. Реакции, катализируемые ферментами пристеночного переваривания углеводов, представлены на рисунке:



В сутки взрослый человек при сбалансированном питании получает около 500 граммов углеводов. После всасывания глюкоза по системе воротной вены поступает в печень. В печени основное количество глюкозы откладывается запасается в виде гликогена, а остальная глюкоза идёт в общий кровоток для питания других клеток. Так происходит после принятия пищи на высоте пищеварения.

В состоянии "натощак" (вне приёма пищи) гликоген в печени постепенно распадается до глюкозы, и глюкоза из печени уходит в общий кровоток к другим тканям.

Эти механизмы поддерживают концентрацию глюкозы в крови на постоянном уровне: 3.9 - 6.1 ммоль/л.

Под действием инсулина глюкоза проникает в клетки тканей. Что же происходит с глюкозой в клетке?

Первая реакция, в которую вступает глюкоза в клетке, является единственной. Это реакция фосфорилирования глюкозы за счёт АТФ. Фермент, катализирующий эту реакцию, есть в любой клетке. Он называется гексокиназа (ГК).




Биологический смысл гексокиназной реакции:

1. Сделать молекулу глюкозы более способной к химическим реакциям, ослабить в ней химические связи, дестабилизировать её ("расшатать").

2. Связать, задержать глюкозу в клетке, чтобы она не смогла выйти обратно в кровь (глюкозо-6-фосфат не способен проходить через клеточную мембрану).

Чтобы связанная молекула могла выйти из клетки, глюкозо-6-фосфат должен превратиться обратно в глюкозу. Фермент, катализирующий обратную реакцию (превращение глюкозо-6-фосфата обратно в глюкозу), называется глюкозо-6-фосфатаза. Он гидролизует глюкозо-6-фосфат до глюкозы и Н3РО4 (Фн), то есть катализирует обходной обратный путь гексокиназной реакции. Глюкозо-6-фосфатаза есть в печени, почках и слизистой оболочке кишечника.

3. Гексокиназа - это ключевой фермент всего метаболизма глюкозы. Он лимитирует (ограничивает) скорость всех путей метаболизма глюкозы в клетке, то есть Vmax гексокиназы меньше, чем Vmax любого другого фермента метаболизма глюкозы в клетке. У гексокиназы очень маленькая КМ (примерно в 500 раз меньше, чем нормальная концентрация глюкозы в крови), поэтому гексокиназа всегда работает с максимальной скоростью.

Только в печени есть ещё один фермент, катализирующий реакцию превращения глюкозы в глюкозо-6-фосфат. Это изофермент гексокиназы - глюкокиназа. У него КМ=20ммоль/л. Поэтому обычно он работает с 1/4Vmax. Но "на высоте пищеварения", когда концентрация глюкозы в воротной вене во много раз возрастает, глюкокиназа работает очень интенсивно, но Vmax всё равно никогда не достигается. Следовательно, утилизация глюкозы клетками печени "на высоте пищеварения" возрастает при подключении дополнительного пути метаболизма (работа глюкокиназы).

Регуляторная роль гексокиназы: этот фермент угнетается избытком своего продукта - глюкозо-6-фосфата. Если по какой-то причине дальнейшее использование глюкозо-6-фосфата замедляется (его концентрация при этом возрастает), то автоматически тормозится гексокиназная реакция. Поэтому в такой ситуации замедляется использование в клетке глюкозы в целом.

После образования глюкозо-6-фосфата начинается разветвление дальнейших путей метаболизма глюкозы. Таких главных путей три.

1. Синтез гликогена.

2. Гексозомонофосфатный путь распада углеводов (ГМФ-путь)

3. Гексозобисфосфатный путь распада углеводов (ГБФ-путь).

Есть ещё минорные пути (в них используется небольшая доля глюкозы, поступающей к клетку). Эти пути не играют энергетической роли, а используются для построения олиго- и полисахаридных цепей гликопротеинов, то есть выполняют структурную роль (смотрите лекцию "Биохимия соединительной ткани").
СИНТЕЗ И РАСПАД ГЛИКОГЕНА.

Синтез гликогена протекает не во всех тканях, а только в печени, мышцах и в лейкоцитах.

После образования глюкозо-6-фосфата (гексокиназная реакция) происходит внутримолекулярный перенос остатка фосфорной кислоты из 6-го положения в 1-е. При этом образуется глюкозо-1-фосфат:



После изомеризации глюкозо-6-фосфата в глюкозо-1-фосфат протекает дополнительная активация глюкозного фрагмента. При этом расходуется 1 молекула УТФ, что эквивалентно расходованию 1-й молекулы АТФ. В результате образуется активированная форма - УДФ-глюкоза:
Затем с УДФ глюкозный остаток переносится на молекулу гликогена. Удлинение цепи гликогена катализирует фермент гликогенсинтетаза. Таким образом, цепь гликогена становится на 1 глюкозный фрагмент длиннее. Гликоген, в отличие от растительного крахмала, более сильно разветвлен. Для формирования ответвлений существует специальный фермент, который называется "гликогенветвящий фермент" (стр.242 учебника).

Молекула гликогена синтезируется не с "нуля", а происходит постепенное удлинение уже имеющегося кусочка цепи: "затравки". И при распаде гликогена никогда не происходит полного разрушения его молекул.

Для включения одного остатка глюкозы в молекулу гликогена клетка расходует 2 молекулы АТФ. При распаде гликогена эта АТФ не регенерирует, а освобождается только Фн (неорганический фосфат).

Ключевым ферментом синтеза гликогена является гликогенсинтаза. Это "пункт вторичного контроля". Ее Vmax больше, чем у гексокиназы, но меньше, чем у любого другого фермента на пути синтеза гликогена.

Регуляция гликогенсинтазы: она активируется избытком глюкозо-6-фосфата. Поэтому если глюкозо-6-фосфат другими путями утилизируется медленно, то возрастание его концентрации приводит к увеличению скорости синтеза гликогена.

Реакция, катализируемая гликогенсинтазой, необратима.

В определенных условиях гликоген способен распадаться. Для этого существует свой обходной обратный путь. Его ключевым ферментом является гликогенфосфорилаза (фосфорилаза). Этот фермент расщепляет молекулу гликогена с участием Фн до глюкозо-1-фосфата и гликогена, укороченного на один глюкозный фрагмент: (С6Н10О5)n + H3PO4 ----> (C6H10O5)n-1 + глюкозо-1-фосфат

Фосфорилаза - ключевой (то есть лимитирующий и регуляторный) фермент распада гликогена.

Регуляция гликогенфосфорилазы: угнетается избытком АТФ, активируется избытком АДФ.
Г Б Ф - П У Т Ь.

(ГЕКСОЗОБИСФОСФАТНЫЙ ПУТЬ РАСПАДА УГЛЕВОДОВ)
БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ГБФ-ПУТИ.

1. Это главный путь распада углеводов до конечных продуктов. Во многих клетках это - единственный путь. Так распадается 70-75% глюкозы, которая поступает в клетку.

2. Только ГБФ-путь дает клетке энергию в виде АТФ. Это основной источник получения энергии в клетке.

3. Это самый длинный путь распада углеводов.

ГБФ-путь делим на 3 этапа.

1-й этап протекает в цитоплазме, дает 8 молекул АТФ при распаде 1 молекулы глюкозы или 9АТФ при распаде одного глюкозного фрагмента гликогена. Заканчивается образованием 2-х молекул пирувата (ПВК).

2-й и 3-й этапы - (исключительно аэробные!) в митохондриях с обязательным участием кислорода, дают 30 АТФ в расчете на одну молекулу глюкозы.

2-й этап ГБФ-пути называется "окислительное декарбоксилирование пирувата" и катализируется пируватдегидрогеназным комплексом (смотрите лекции "Биологическое окисление" - удлиненная цепь митохондриального окисления). На 2-м этапе от молекулы ПВК отнимаются два атома водорода, и пируват превращается в Ацетил-кофермент А (АцКоА), одновременно происходит отщепление СО2. Два атома водорода идут на НАД, а затем по цепи митохондриального окисления передаются на О2 с образованием Н2О и 3 молекул АТФ. Поэтому в расчете на одну молекулу исходной глюкозы 2-й этап дает 6 АТФ.

В 3-й этап вступает молекула АцетилКоА, который образуется в результате 2-го этапа. Этот 3-й этап называется циклом трикарбоновых кислот (ЦТК) (смотрите лекции “Митохондриальное окисление”). В этом цикле АцКоА полностью расщепляется до СО2 и Н2О. При этом образуется 12 АТФ в расчете на молекулу АцКоА, вступившую в цикл. Если рассчитать на 1 молекулу глюкозы, то на 3-м этапе образуется 24 АТФ.

1-й этап проходит 10 промежуточных стадий. В ходе первой части этого этапа молекула глюкозы расщепляется пополам до 2-х молекул фосфоглицеринового альдегида (ФГА).
ОСОБЕННОСТИ ПЕРВОЙ ЧАСТИ 1-ГО ЭТАПА:

Гексокиназа (ГК) работает, чтобы ослабить прочную молекулу глюкозы:


2-я реакция - изомеризации:


На 3-й стадии фруктозо-6-фосфат еще более ослабляется фосфофруктокиназой (ФФК) и образуется фруктозо-1,6-бисфосфат:



Фосфофруктокиназа - это ключевой фермент ГБФ-пути. Он является "пунктом вторичного контроля". Vmax ФФК больше, чем Vmax ГК. Поэтому, когда глюкозы поступает много, ГК лимитирует скорость всего ГБФ-пути.

Избыток АТФ и избыток цитрата сильно ингибируют ФФК. В этих условиях лимитирующим ферментом ГБФ-пути вместо гексокиназы становится ФФК. Из-за угнетения ФФК накапливаются глюкозо-6-фосфат (Г-6-Ф) и фруктозо-6-фосфат(Ф-6-Ф). Г-6-Ф ингибирует гексокиназу, уменьшая утилизацию глюкозы клеткой и одновременно активирует гликогенсинтетазу.

Если нет избытка АТФ и цитрата, а есть избыток АДФ, то АДФ активирует ФФК, и тогда скорость всего ГДФ-пути лимитируется опять гексокиназой.

В результате фосфофруктокиназной реакции молекула фруктозо-1,6-бисфосфата дестабилизируется (ослабляется) настолько, что сразу распадается на 2 триозы при участии фермента альдолазы (4-я реакция):


5-я реакция:


В следующую (шестую) реакцию ГБФ-пути вступает только ФГА. В результате уменьшается его концентрация и равновесие 5-й реакции сдвигается в сторону образования ФГА. Постепенно весь ФДА переходит в ФГА, и поэтому количество АТФ, синтезировавшееся в последующих реакциях ГБФ-пути, мы учитываем в расчете на 2 молекулы ФГА и других промежуточных метаболитов, которые из него образуются.

В 1-й части 1-ого этапа (от глюкозы до ФГА) расходуется 2 молекулы АТФ: одна - в гексокиназной реакции, другая - в фосфофруктокиназной (3-я реакция первого этапа ГБФ-пути). 2-я часть 1-го этапа начинается с окисления ФГА до ФГК (фосфоглицериновой кислоты) в 6-й реакции.



Эта реакция катализируется ферментом "глицеральдегидфосфатдегидрогеназа". Отщепляемый водород передается на НАД с образованием НАДН2. Энергии, которая выделяется при этом окислении, хватает и на то, чтобы одновременно обеспечить присоединение фосфата к альдегидной группе. Присоединяется фосфат макроэргической связью. В результате образуется 1,3-дифосфоглицериновая кислота (1,3-бисфосфоглицерат).
7-я реакция: субстратное фосфорилирование.

Фосфат с макроэргической связью передается на АДФ с образованием АТФ. В результате 7-й стадии в молекуле фосфоглицериновой кислоты остается 1 остаток фосфорной кислоты.

8-я реакция: Фосфат переносится из 3-го во второе положение и образуется 2-фосфоглицериновая кислота.


9-я реакция:




От 2-фосфоглицериновой кислоты отнимается Н2О. Это приводит к перераспределению молекулярной энергии. В результате на фосфате во втором положении накапливается энергия и связь становится макроэргической. Получается фосфоенолпируват(ФЕП).
10-я реакция: Субстратное фосфорилирование. Фосфат переносится на АДФ с образованием АТФ. ФЕП переходит в ПВК (пировиноградную кислоту).


На этом 1-й этап ГДФ-пути заканчивается, ПВК уходит в митохондрию и вступает во второй этап ГДФ-пути.

Итоги 1-го этапа: 10 реакций, из которых первая, третья и десятая реакции необратимы. Сначала расходуется 2 АТФ на 1 молекулу глюкозы. Потом окисляется ФГА. Энергия реализуется в ходе 2-х реакций субстратного фосфорилирования: в каждой из них образуется по 2 АТФ. Следовательно, на каждую молекулу глюкозы (на 2 молекулы ФГА) получается 4 АТФ путем субстратного фосфорилирования.

Суммарно все 10 стадий можно описать следующем уравнением:

С6Н12О6 + 2Н3РО4 + 2АДФ + 2НАД -----> 2С3Н4О3 + 2АТФ + 2Н2О + 2НАДН2

(ПВК)

НАДН2 по системе митохондриального окисления(МтО) передает водород на кислород воздуха с образованием Н2О и 3 АТФ, но 1-й этап протекает в цитоплазме и НАДН2 не может проходить через мембрану митохондрий. Существуют челночные механизмы, обеспечивающие этот переход НАДН2 через митохондриальную мембрану - малат-аспартатный челнок и глицерофосфатный челнок (смотрите лекции "Биологическое окисление".

В расчете на одну молекулу глюкозы образуется 2НАДН2.




В дополнение к 2 АТФ, получаемым на 1-м этапе путем субстратного фосфорилирования, образуется еще 6 АТФ с участием кислорода, итого - 8 молекул АТФ. Столько АТФ образуется в расчете на каждую расщепленную до ПВК молекулу глюкозы в ходе первого этапа ГБФ-пути.

Если эти 8 АТФ добавить к 30 молекулам АТФ, которые образуются на 2-м и 3-м этапах, то суммарный энергетический итог всего ГБФ-пути составит 38 АТФ на каждую молекулу глюкозы, расщепленную до СО2 и Н2О. В этих 38 АТФ заключено 65 процентов энергии, которая выделилась бы при сжигании глюкозы на воздухе. Это доказывает очень высокую эффективность работы ГБФ-пути.

Из 38 АТФ основная их часть образуется на 2-м и 3-м этапах. Каждый из этих этапов абсолютно необратим и требует обязательного участия кислорода, так как окислительные стадии этих этапов сопряжены с митохондриальным окислением (без него невозможны). Весь ГБФ-путь от глюкозы или гликогена до СО2 и Н2О называют: АЭРОБНЫЙ РАСПАД УГЛЕВОДОВ.

Ключевые ферменты первого этапа ГБФ-пути: ГЕКСОКИНАЗА и ФОСФОФРУКТОКИНАЗА.

Еще одно ключевое звено находится в ЦТК (3-й этап ГБФ-пути). Ключевое звено на 3-м этапе необходимо потому, что АцКоА, вступающий в ЦТК, образуется не только из углеводов, но и из жиров и аминокислот. Следовательно, ЦТК - это конечный "котёл" для сжигания ацетильных остатков, образующихся из углеводов, жиров и белков. ЦТК объединяет все метаболиты, образующиеся при распаде углеводов, жиров и белков.

Ключевые ферменты ЦТК: цитратсинтетаза и изоцитратдегидрогеназа. Оба фермента угнетаются избытком АТФ и избытком НАДН2. Изоцитратдегидрогеназа активируется избытком АДФ. АТФ ингибирует эти ферменты по-разному: изоцитратдегидрогеназа ингибируется АТФ намного сильнее, чем цитратсинтаза. Поэтому при избытке АТФ накапливаются промежуточные продукты: цитрат и изоцитрат. В этих условиях цитрат может выходить в цитоплазму по градиенту концентраций.

2-й и 3-й этапы ГБФ-пути протекают в митохондриях, а 1-й - в цитоплазме.

1-й этап отделен от 2-го и 3-го этапов митохондриальной мембраной.

Поэтому 1-й этап может выполнять свои особенные функции. Эти функции

связаны с двумя особенностями 1-го этапа.

  1   2   3   4

перейти в каталог файлов
связь с админом