Вопрос 61 Основные углеводы животных, биологическая роль. Углеводы пищи, переваривание углеводов. Всасывание продуктов переваривания.
Углеводы – основные поставщики энергии. На долю углеводов приходится
примерно 75% массы пищевого суточного рациона и более 50% от суточного количества необходимых калорий.
Основные углеводы животных:
В пище содержатся в основном в виде олигосахаридов и полисахаридов
Сахароза – дисахарид, состоящий из α-D-глюкозы и β-D-фруктозы, соединённых
α, β-1,2-гликозидной связью. Растворимый дисахарид со сладким вкусом. Источником сахарозы служат растения, особенно сахарная свёкла, сахарный тростник.
Лактоза – молочный сахар; важнейший дисахарид молока млекопитающих.
В лактозе аномерная ОН-группа первого углеродного атома остатка D-галактозы связана β-гликозидной связью с четвёртым углеродным атомом D-глюкозы (β-1,4-связь).
Мальтоза поступает с продуктами, содержащими частично гидролизованный
крахмал, например, солод, пиво. Мальтоза также образуется при расщеплении крахмала в кишечнике. Она состоит из 2х остатков D-глюкозы, соединённых α-1,4-гликозидной св.
Гликоген – главный резервный полисахарид высших животных и человека,
построенный из остатков D-глюкозы. Гликоген содержится практически во всех органах и тканях животных и человека; наибольшее количество обнаружено в печени и мышцах.
При гидролизе: гликоген → декстрины →мальтоза → глюкоза
Крахмал – наиболее важный углеводный компонент пищевого рациона.
Резервный полисахарид растений (подобно гликогену у человека). Состоит из остатков глюкозы в двух формах: амилозы (неразветвленная молекула – только α-1,4-гликозидная связь) и амилопектина (разветвленная – α-1,4- и α-1,6-гликозидные связи)
Целлюлоза (клетчатка) – состоит из остатков глюкозы, соед. β-1,4-гликозид. св)
В организме человека нет ферментов, разрывающих β-связи в полисахаридах, но клетчатка все равно требуется для нормального пищеварения
Биологическая роль углеводов:
Основной источник энергии
Выполняют структурную роль – в виде гликозаминогликанов входят в состав межклеточного матрикса
Рецепторная функция – входят в состав рецепторов
Из углеводов в процессе метаболизма образуется большое число орг. соед, которые служат исходными субстратами для синтеза липидов, аминокислот, нуклеотидов.
Участвуют в детоксикации ксенобиотиков и инактивации веществ эндогенного происхождения (в составе глюкоуронидов)
Углеводы нельзя считать незаменимыми компонентами пищи, но если исключить
углеводы из рациона, то следствием м.б. гипогликемия, для компенсации которой будут расходоваться белки и липиды.
Эпителиальные клетки кишечника способны всасывать только моносахариды.
Поэтому процесс переваривания заключается в ферментативном гидролизе гликозидных связей в углеводах, имеющих олиго- или полисахаридное строение
А. Переваривание углеводов в ротовой полости
В ротовой полости пища измельчается при пережёвывании, смачиваясь при этом
слюной. В слюне присутствует α-амилаза, расщепляющая в крахмале α-1,4-гликозидные связи. В ротовой полости не может происходить полное расщепление крахмала, так как действие фермента на крахмал кратковременно и амилаза слюны не расщепляет α-1,6-гликозидные связи, поэтому крахмал переваривается частично с образованием крупных фрагментов – декстринов и небольшого количества мальтозы.
+ Амилаза слюны не гидролизует гликозидные связи в дисахаридах.
Действие амилазы прекращается в кислой среде желудка. Желудочный сок не содержит ферментов, расщепляющих углеводы.
Б. Переваривание углеводов в кишечнике: след. этапы переваривания крахмала и др. углеводов происходит в тонком кишечнике под действием – гликозидаз.
Панкреатическая α-амилаза
В двенадцатиперстной кишке рН среды желудочного содержимого нейтрализуется,
так как секрет поджелудочной железы имеет рН 7,5-8,0 и содержит бикарбонаты.
С секретом поджелуд. железы в кишечник поступает панкреатическая α-амилаза.
Продукты переваривания крахмала на этом этапе – дисахарид мальтоза, содержащая 2 остатка глюкозы, связанные α-1,4-связью.
Из тех остатков глюкозы, которые в молекуле крахмала находятся в местах
разветвления и соединены α-1,6-гликозидной связью, образуется дисахарид изомальтоза. Также образуются олигосахариды, содержащие 3-8 остатков глюкозы,
связанные α-1,4- и α-1,6-связями.
Целлюлоза проходит через кишечник неизменённой – выполняет важную
функцию балластного вещества, придавая пище дополнительный объём и положительно влияя на процесс переваривания. В толстом кишечнике целлюлоза может подвергаться действию бактериал. ферментов и частично расщепляться с образованием спиртов, органических кислот и СО2 = стимуляторы перистальтики кишечника.
Мальтоза, изомальтоза и триозосахариды, образующиеся из крахмала –
перевариваются под действием ферментов в тонком кишечнике. Дисахариды пищи сахароза и лактоза также гидролизуются специфическими дисахаридазами в тонком кишечнике.
Тонкий кишечник изнутри имеет ворсинки, благодаря чему увеличивается
поверхность контакта ферментов и субстратов в содержимом кишечника.
Ферменты, расщепляющие гликозидные связи в дисахаридах (дисахаридазы), образуют ферментативные комплексы, локализованные на наружной поверхности цитоплазматической мембраны энтероцитов.
Сахаразо-изомальтазный комплекс состоит из двух ППЦ и имеет доменное
строение. Связь фермента с мембраной способствует эффективному поглощению продуктов гидролиза клеткой. Этот комплекс гидролизует сахарозу и изомальтозу (имеея сахаразную и изомальтазную субъединицы), расщепляя α-1,2- и α-1,6- гликозидные связи.
Оба ферментных домена имеют мальтазную и мальтотриазную активности,
гидролизуя α-1,4-гликозидные связи в мальтозе и мальтотриозе, но сахаразная субъединица – единственный фермент в кишечнике, гидролизующий сахарозу.
Гликоамилазный комплекс – этот ферментативный комплекс катализирует
гидролиз α-1,4-связи между глюкозными остатками в олигосахаридах. Комплекс расщепляет связи в мальтозе, действуя как мальтаза. В гликоамилазный комплекс входят две разные каталитические субъединицы, имеющие небольшие различия в субстратной специфичности. Гликоамилазная активность комплекса наибольшая в нижних отделах тонкого кишечника.
β-Гликозидазный комплекс (лактаза) – ф. комплекс является гликопротеином.
Лактаза расщепляет β-1,4-гликозидные связи между галактозой и глюкозой в лактозе. Лактоза распределена неравномерно по всему тонкому кишечнику. Активность лактазы колеблется в зависимости от возраста. Так, активность лактазы сохраняется на высоком уровне до 5-7-летнего возраста.
Трегалаза – ф. комплекс, гидролизующий связи между мономерами в трегалозе
(дисахарид, содержащийся в грибах)
Совместное действие всех перечисленных ферментов завершает переваривание
пищевых олиго- и полисахаридов с обр. моносахаридов, основной из которых – глюкоза.
Моносахариды всасываются эпителиальными клетками тощей и подвздошной
кишок с помощью специальных механизмов транспорта через мембраны этих клеток.
В. Всасывание моносахаридов в кишечнике
Транспорт моносахаридов в клетки слизистой оболочки кишечника может
осуществляться 2 способами:
Путём облегчённой диффузии
Путем активного транспорта
При разной концентрации глюкозы в просвете кишечника "работают" различные механизмы транспорта. В случае
1. Активный транспорт – когда конц. глюкозы в просвете кишечника мала.
Глюкоза и Na+ проходят через мембраны с люминальной стороны, связываясь с разными участками белка-переносчика.
При этом Na+ поступает в клетку по градиенту концентрации, и одновременно
глюкоза транспортируется против градиента концентрации. Градиент концентрации Na+ создаётся работой Nа+,К+-АТФ-азы (такой же способ характерен также для галактозы)
2. Путем облегченной диффузии – когда концентрация глюкозы в просвете
кишечника велика
После моносахариды покидают клетки слизистой оболочки кишечника с помощью
облегчённой диффузии. Часть глюкозы (более 50%) через капилляры кишечных ворсинок попадает в кровеносную систему и по воротной вене доставляется в печень. Остальное количество глюкозы поступает в клетки других тканей.
Г. Транспорт глюкозы из крови в клетки: потребление глюкозы клетками из кровотока происходит путём облегчённой диффузии – получается, что скорость трансмембранного потока глюкозы зависит только от градиента её концентрации.
Исключение: клетки мышц и жировой ткани, где облегчённая диффузия
регулируется инсулином (гормон поджелудочной железы). В отсутствие инсулина плазматическая мембрана этих клеток непроницаема для глюкозы, так как она не содержит белки-переносчики (транспортёры) глюкозы.
Способ облегчённой диффузии по сравнению с активным транспортом предотвращает транспорт ионов вместе с глюкозой, если она транспортируется по градиенту концентрации.
Глюкозные транспортёры (ГЛЮТ) обнаружены во всех тканях, существует
несколько их разновидностей. Структура белков семейства ГЛЮТ отличается от белков, транспортирующих глюкозу через мембрану в кишечнике и почках против градиента концентрации.
Все типы ГЛЮТ могут находиться как в плазматической мембране, так и в
цитозольных везикулах. ГЛЮТ-4 (и в меньшей мере ГЛЮТ-1) почти полностью находятся в цитоплазме клеток.
Влияние инсулина на такие клетки: приводит к перемещению везикул, содержащих
ГЛЮТ, к плазматической мембране, слиянию с ней и встраиванию транспортёров в мембрану = облегчённый транспорт глюкозы в эти клетки. После снижения конц. инсулина в крови ГЛЮТ снова перемещаются в цитоплазму, и поступление глюкозы в клетку прекращается.
Перемещение глюкозы из первичной мочи в клетки почечных канальцев
происходит вторично-активным транспортом (как и при всасывании глюкозы из просвета кишечника в энтероциты). Благодаря этому глюкоза может поступать в клетки даже в том случае, если её концентрация в первичной моче меньше, чем в клетках. При этом глюкоза реабсорбируется из первичной мочи почти полностью (99%).
Вопрос 62
Глюкоза как важный метаболит углеводного обмена: общая схема источников и путей расходования глюкозы в организме. Поддерживание постоянного уровня глюкозы крови, количественное определение глюкозы крови.
В глюкозу превращаются углеводы в печени и из глюкозы могут образовываться
все остальные углеводы. Т. о., она играет роль связующего между энергетическими и пластическими функциями углеводов.
Основные источники глюкозы:
Пища
Распад резервного полисахарида гликогена
Синтез глюкозы из неуглеводных предшественников
(главным образом из гликогенных аминокислот)
Глюконеогенез
Основные пути расходования глюкозы:
Образование энергии при аэробном и анаэробном окислении глюкозы
Превращение в другие моносахариды
Превращение в гликоген и гетерополисахариды
Превращение в жир, некоторые аминокислоты и др.
Уровень глюкозы в организме постоянный. Если глюкоза не поступает с пищей, то у здорового человека в крови поддерживается постоянная концентрация глюкозы от 70 до 90 мг/100 мл. После приема содержащей углеводы пищи концентрация глюкозы на короткое время возрастает примерно до 150 мг/ 100 мл, но через 2 ч она обычно возвращается к норме.
После всасывания в кишечнике моносахариды поступают в воротную вену и далее
преимущественно в печень. Поскольку в составе основных углеводов пищи преобладает глюкоза = она осн. продукт переваривания углеводов. Другие моносахариды, поступающие из кишечника в процессе метаболизма, могут превращаться в глюкозу или продукты её метаболизма.
Часть глюкозы в печени депонируется в виде гликогена, а другая часть через
общий кровоток доставляется и используется разными тканями и органами.
Фосфорилирование: глюкоза, поступающая в клетки органов и тканей, сразу же
подвергается фосфорилированию с использованием АТФ.
Эту реакцию во многих тканях катализирует гексокиназа,
а в печени и поджелудочной железе – фермент глюкокиназа.
Образование глюкозо-6-фосфата в клетке – своеобразная «ловушка» для глюкозы,
так как мембрана клетки непроницаема для фосфорилированной глюкозы (нет соответств. транспортных белков). Кроме того, фосфорилирование уменьшает конц. свободной глюкозы в цитоплазме. В результате создаются благоприятные условия для облегчённой диффузии глюкозы в клетки из крови.
Глюкокиназа. В период пищеварения конц. глюкозы в воротной венебольше, чем в
других отделах кровяного русла = активность глюкокиназы в гепатоцитах повышается.
Активность глюкокиназы, в отличие от гексокиназы, не ингибируется продуктом
(глюкозо-6-фосфатом), что обеспечивает повышение концентрации глюкозы в клетке в фосфорилированной форме, соответственно её уровню в крови.
Глюкоза проникает в гепатоциты путём облегчённой диффузии при участии
транспортёра ГЛЮТ-2 (независимого от инсулина).
Хотя инсулин и не влияет на транспорт глюкозы, он усиливает приток
глюкозы в гепатоциты в период пищеварения косвенным путём, индуцируя синтез глюкокиназы и ускоряя тем самым фосфорилирование глюкозы.
Преимущественное потребление глюкозы гепатоцитами, обусловленное
свойствами глюкокиназы, предотвращает чрезмерное повышение её концентрации в крови в абсорбтивном периоде – это снижает последствия протекания нежелательных реакций с участием глюкозы, например, гликозилирования белков.
Гексокиназа отличается от глюкокиназы высоким сродством к глюкозе –
он, в отличие от глюкокиназы, активен при низкой концентрации глюкозы в крови, что характерно для постабсорбтивного состояния.
Печень в этот период поглощает гораздо меньше глюкозы, так как скорость её
внутриклеточного фосфорилирования глюкокиназой резко снижается. Тогда как потребление глюкозы мозгом, эритроцитами и другими тканями обеспечивается активной в этих условиях гексокиназой.
Активность гексокиназы изменяется в зависимости от потребностей клетки в
энергии. В качестве регуляторов выступают соотношение АТФ/АДФ и внутриклеточный уровень глюкозо-6-фосфата. При снижении расхода энергии в клетке повышается уровень АТФ (относительно АДФ) и глюкозо-6-фосфата = активность гексокиназы снижается и уменьшается скорость поступления глюкозы в клетку.
Дефосфорилирование глюкозо-6-фосфата: превращение глюкозо-6-фосфата в
глюкозу возможно в печени, почках и клетках эпителия кишечника.
В них есть глюкозо-6-фосфатаза, катализирующая отщепление фосфатной группы гидролитическим путём:
Глюкозо-6-фосфат +Н2O → Глюкоза + Н3РO4
Образовавшаяся свободная глюкоза способна диффундировать из этих органов в кровь.
В других органах и тканях глюкозо-6-фосфатазы нет, и поэтому
дефосфорилирование глюкозо-6-фосфата невозможно (например, в мышцах)
Метаболизм глюкозо-6-фосфата: он может использоваться в клетке в различных
превращениях, основными из которых являются: синтез гликогена, катаболизм с образованием СО2 и Н2О или лактата, синтез пентоз
Поддержание уровня глюкозы в крови: распад гликогена печени служит в
основном для поддержания уровня глюкозы в крови в постабсорбтивном периоде.
Гликоген депонируется в печени и скелетных мышцах.
Содержание гликогена в печени изменяется в зависимости от ритма питания.
При длительном голодании оно снижается почти до нуля.
Гликоген мышц служит резервом глюкозы – источника энергии при мышечном
сокращении. Мышечный гликоген не используется для поддержания уровня глюкозы в крови (в клетках мышц нет фермента глюкозо-6-фосфатазы, и образование свободной глюкозы невозможен), так что его расход зависит в основном от физической нагрузки
Определение глюкозы в крови – важный этап диагностики сахарного диабета.
Для этого необходимо определить содержание глюкозы в крови. В норме ее конц. лежит в пределах 3,3-5,5 ммоль/л.
Методики определения: редуктометрические, колориметрические, ферментативные
Ферментативные методы определения конц. глюкозы в крови наиболее
распространены. Выделяют две основные разновидности этих методов: глюкозооксидазный и гексокиназный. На данный момент наиболее распространенными являются глюкозооксидазные: этот фермент реагирует с глюкозой, в результате чего образуется перекись водорода. Количество образовавшейся перекиси водорода равно количеству глюкозы в исходной пробе.