Классификация углеводов и их биологическая роль

Запись 73

Обмен и ф-ии углеводов

Классификация углеводов и их биологическая роль

Углеводы составляют незначительную часть от общего сухого веса ткани, это кол-во составляет не более 2%, в отличие от белков, содержание которых составляет до 45% сухого веса ткани

Углеводы выполняют в организме целый ряд жизненно важных ф-ии, участвуя в структурной и одновременно метаболической организации органов и тканей

Углеводы – многоатомные альдегидо- или кетоноспирты, а так же их олиго- и полимеры

Из принято делить на 3 группы

1. Моносахариды и их производные

2. Олиго-

3. Поли-

Моносахариды

По хар

-ру карбонильной группы

1. Альдозы

 

	глицеральдегид

 

2. Кетозы

 

	дигидроксиацетон

 

По кол-ву атомов углерода в молекуле

1. Триозы

2. Тетрозы

3. Пентозы

4. Гексозы

и т.д.

обычно моносахариды называют по тривиальной номенклатуре: Глюкоза, манноза, фруктоза, галактоза, рибоза и тд

Производные моносахаридов:

• фосфорные эфиры

•  уроновые кислоты (н-р, глюкуроновая)

•  аминосахара

•  и др.

общее кол-во различных мономеров и их производных составляет несколько десятков, т.е. в количественном выражении это не уступает кол-ву АК, входящих в состав белков

олигосахариды – олигомеры, мономерными единицами которых являются моносахариды или их производные. Число отдельных мономерных блоков от 2 до 20

все мономерные единицы соединяются гликозидными связями

олигосахариды делят:

1. Гомоолигосахариды (мальтоза) – состоят из одинаковых мономеров

2. Гетероолигосахариды (лактоза, сахароза) – в структуре присутствуют разные мономеры и их производных

Широко представлены в составе гликоконъюгатов (т.е. не в свободном виде) гетероолигосахариды, т.к. существуют много различных видов связей (a и b гликозидные связи), так же большие вариации кол-ва мономеров, поэтому гетероолигосахариды, входящие в состав более сложных компонентов, получивших название гликоконъюгаты, входят в состав гетерополисахаридов (гликозаминопротеогликанов)

Полисахариды – типичные полимеры, построенные из моносахаридов или их производных, которые соединены между собой гликозидными связями

Число мономерных звеньев более 20 (нижняя граница нормы) и может достигать нескольких десятков тысяч.

Если полимеры  состоят из одинаковых мономерных единиц, то это гомополисахариды (в организме человека гликоген). Если они состоят из различных мономерных единиц, то это гетерополисахариды.

Гликоген по структуре похож на амилопектин, но у него большая молекулярная масса и он более разветвлен. Связи остатков глюкозы в гликогене - a-1,4- и a-1,6-гликозидные связи

Гетерополисахариды (Гликозаминогликаны):

1. гиалуроновая кислота

2.  хондроитинсульфат

3.  кератансульфат

4.  дерматансульфат

5.  гепарансульфат

6.  гепарин

каждый из названных гетероолигосахаридов состоит из индивидуального набора мономерных единиц. Н-р основными мономерными единицами гиалуроновой к-ты являются - глюкуроновая к-та и N-ацетилглюкозамин

Ф-ии различных углеводов

различны для разных классов соединений, но их можно объединить:

1. Энергетическая

2. Структурная

3. Резервная

4. Регуляторная

5. Пластическая

моносахариды:

1. Энергетическая – окислительное расщепление моносахаридов дает организму до 60% необходимой ему энергии

2. Структурная – моносахариды и их производные являются мономерными единицами более  сложных молекул полисахаридов и нуклеотидов

3. Пластическая – промежуточные метаболиты, образующиеся при расщеплении углеводов,  используются для синтеза липидов, синтеза заменимых АК

Гетероолигосахариды

1. Структурная – являются структурными компонентами гликоконъюгат (этогиликолипиды и гликопротеиды)

2. некоторые гликопротеиды, н-р гормоны гипофиза выполняют регуляторную ф-ию

 

 

гликоген:

резервный полисахарид – резерв энергетического и пластического материала. Гликоген присутствует практически во всех тканях организма человека, причем наибольшее его кол-во синтезируется в печени и мышечной ткани.

Синтез гликогена

Сигналом является повышение концентрации глюкозы в крови

повышение концентрации глюкозы в крови приводит к выбросу инсулина. В итоге повышается концентрация глюкозы в гепатоцитах, там, за счет инсулина, активируется фермент фосфопротеинфосфотаза, который отщепляет фосфорильные остатки от гликогенфосфорилазы и гликогенинтетазы, в результате обеспечивается синтез гликогена

адреналин действует на мобилизацию гликогена аналогично с глюкагоном,

___ при ситуации типа «борьба-бегство», т.е. при стрессе. Он так же вызывает активацию путем ковалентной модификации гликогенфосфорилазы

Аэробной окисление глюкозы

Процесс аэробного окисления глюкозы принято разделять на 3 этапа

1. Расщепление до пирувата

2. Окислительное декарбоксилирование пирувата до ацетил-КоА

3. Окисление ацетил-КоА в цикле Кребса (до 2 молекул СО2)

Я стадия

 

 

Первоначально глюкоза фосфорилируется (под действием гексокиназы) с образованием глюкозо-6-фосфата, р-я необратима à изомерное превращение ее (под действием фосфогексоизомеразы) во фруктозо-6-фосфат à повторное фосфорилирование, под действием фермента фосфофруктокиназа,т.е. требуется еще одна молекула АТФ, р-я необратима, поскольку сопровождается большой потерей свободной энергии à образовавшийся фруктоза-1,6-бисфосфат подвергается альдольному расщеплению по действием фермента альдолазы.

В итоге – 2 фосфотриозы (фофсфодиоксиацетон, трифосфоглицериновый альдегид)

Фофсфодиоксиацетон под действием фермента триозофосфатизомеразы превращается в 3-фосфоглицериновый альдегид

Таким образом, 1-я стадия 1-го этапа заканчивается образованием 2-х молекул 3-фосфоглицеринового альдегида

Обычно американцы называют эту стадию «Подготовительной стадией», т.к. здесь идет подготовка к последующему окислению. АТФ не образуется, а наоборот здесь нужно 2 молекулы АТФ, для того чтобы окислить глюкозу

2-я стадия - Окислительная стадия

Под действием дегирдогеназы 3-фосфоглицеринового альдегида (это дегидрогеназа, в качестве кофактора содержащая НАД) окисляется до 1,3-дифосфоглицерата, причем часть энергии окисления накапливается в восстановленном НАД, а часть накапливается в макроэргической связи образующегося продукта р-ии, т.е. в 1,3-дифосфоглицерате

В ходе следующей р-ии, которую катализирует фосфоглицераткиназа, энергия не рассеивается, а используется для синтеза АТФ, причем без участия цепей переносчиков электронов (т.е. дыхательных цепей митохондрий)

В итоге образуется 3-фосфоглицериновая к-та, которая под действием специфической мутазы – фосфоглицератмутазы превращается в 2-фосфоглицерат

Дальше происходит отщепление воды, катализирует эту р-ию фермент – енолаза, причем происходит перегруппировка связей, у фосфоэнолпирувата связь макроэргическая, т.е. фосфорильный остаток соединяется с О2 с помощью «тильда»

Накопленная энергия в фосфоэнолпирувате не рассеивается, а в ходе следующей р-ии, которую катализирует фермент пируваткиназа, используется для синтеза АТФ, без участия цепей переносчиков электронов

Образуется пируват

Метаболизм галактозы

Начальный этап метаболизма галактозы

Галактоза, которая поступает в к-ки сначала фосфорилируется (фермент – галактокиназа) причем р-ия необратима, т.к. используется АТФ, образуется галактозо-1-фосфат

Следующая р-ия катализируется ферментом гексозо-1-фосфатуридилтрансфераза, в ходе данной р-и используется еще один участник, это уридиндифосфатглюкоза (УДФ-глюкоза), при этом отщепляется глюкозо-1-фосфат, продуктом р-ии является УДФ-галактоза

Фермент эпимераза переводит УДФ-галактозу в УДФ-глюкозу

Зачем мы это рассматриваем?

Из-за дефектов работы этих ферментов, возникает патология – галактозимия

Н-р,

· дефект фермента галактокиназы приводит швейцарской галактозимии

· дефект фермента гексозо-1-фосфатуридилтрансфераза приводит к африканской галактозимии

· дефект эпимеразы встречается редко.

УДФ-глюкоза идет на взаимодействие с галактозой-1-фосфатом и в результате образуется глюкозо-1-фосфат, он превращается в глюкозо-6-фосфат (под действием фосфоглюкомутазы) – обычный метаболит, который образуется при дихотомическом расщеплении глюкозы, т.е. дальше работают те же ферменты, что расщепляют глюкозу

Фруктоза

Начальный этап метаболизма фруктозы

Фруктоза как и галактоза сначала фосфолирируется, фермент, катализирующий эту р-ию фруктокиназа, при этом образуется фруктозо-1-фосфат  

Фермент Фруктозо-1-фосфатальдолаза обеспечивает превращение фруктозо-1-фосфата на 2 триозы: глицериновый альдегид и фосфодигидроксиацетон

Глицериновый альдегид дальше фосфорилируется с участием фермента триозокиназа и превращается в 3-фосфоглицериновый альдегид

Фермент триозофосфатизомераза превращает фосфодигидроксиацетон в 3-фосфоглицериновый альдегид

Уже на начальном этапе метаболизма фруктозы образуется 2 молекулы 3-фосфоглицериновый альдегида, которые являются промежуточными продуктами окислительного расщепления глюкозы и дальнейшее окисление идет с использованием уже известных ферментов

Запись 74

Окислительный этап

Р-я фосфорилирования, т.е. глюкоза превращается в глюкозо-6- фосфат

На следующей стадии происходит окисление глюкозо-6- фосфата под действием фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа,

Дефицит этого фермента приводит к развитию анемии

В ходе р-ии образуется 6-фосфоглюкоролактон, он взаимодействует с молекулами Н2О, в этом случае происходит разрыв цикла, и образуется 6-фосфоглюконат,

6-фосфоглюконат подвергается окислительному декарбоксилированию, с образованием восстановленного НАДФ, как и в случает 1 р-ии окисления глюкозо-6- фосфата, продуктами р-ии является рибулозо-5-фосфат

Фермент – 6-фосфоглюконатдегидрогеназа

Суммарное уравнение:

 

Биологическая роль:

Обеспечивает клетки пентозофосфатами (рибозо-5-фосфат) и восстановленными эквивалентами в форме НАДФН2, необходимыми для протекания биосинтетических процессов (например, для синтеза высших жирных кислот).

В ходе неокислительного этапа в результате р-ий изомеризации образуется необходимые для к-к пентозы: рибоза-5-фосфат и ксилулозо-5-фосфат

Кроме того на этом этапе образуются промежуточные продукты идентичные с промежуточными продуктами 1-го этапа аэробного окисления глюкозы, а именно 3-фосфоглицериновый альдегид и фруктозо-6-фосфат

За счет этих общих метаболитов создается возможность переключения потока метаболитов с пентозного цикла окисления на путь аэробного или анаэробное окисления глюкозы и наоборот (в зависимости от потребностей к-ки)

За 6 оборотов пентозного цикла полностью сгорает 1 остаток глюкозы.

Пентозофосфатный цикл функционирует не во всех тканях, он функционирует в печени, жировой ткани, в коре надпочечников, в семенниках, в молочной железе в период лактации, а в зубах – в пульпе. Цикл так же интенсивно работает в эритроцитах, в которых восстановленных НАДФ используется для подавления перикисного окисления липидов мембран. А вот в мышечной ткани данный путь практически отсутствует

Глюкагон

Повышает содержание глюкозы в крови за счет стимуляции процесса мобилизации гликогена в печени

Кроме того глюкагон стимулирует процесс глюконеогенеза, стимуляция идет за счет повышения активности фруктозо-1,6-бисфосфатазы

Глюкагон выделяется α-к-ками островков Лангерганса панкреатической железы, при снижении содержания глюкозы в крови

Ответная р-ия базируется на изменении активности уже имеющихся ферментов, потому эффект развивается быстро, т.е. наблюдается быстрое повышение концентрации глюкозы

Глюкагон не влияет на скорость расщепления гликогена в мышцах

Адреналин

Адреналин секретируется в кровь мозговым в-вом надпочечников в экстремальных условиях, в первую очередь адреналинстимулирует расщеление гликогена в мышцах и таким образом обеспечивает миоциты энергетическим топливом

В мышцах нет фермента глюкозо-6-фосфотазы, поэтому свободная глюкоза в миоцитах не образуется и в кровь не поступает

Но есть еще один эффект адреналина, он способен ускорять расщепление гликогена в печени за счет активации фосфорилазы

Образующаяся глюкоза поступает из гепатоцитов в кровь, где ее концентрация повышается, причем повышение концентрации глюкозы развивается быстро, поскольку обусловлена повышением активности имеющихся в гепатоцитах ферментов

Кортизол

Как и другие глюкокортикостероиды вызывает повышение содержания глюкозы в крови за счет 2 эффектов

1. Тормозит поступление глюкозы из крови в к-ки ряда периферических тканей (уменьшает проницаемость для глюкозы), это прежде всего мышечная и соединительная ткань

2. Главный основной стимулятор глюконеогенеза. Причем этот механизм отвечает за увеличение концентрации глюкозы в крови. Стимуляция глюконеогенеза идет за счет увеличения скорости расщепления белков в переферическиз тканях, т.е. выброс кортизола стимулирует гидролиз белков, увеличивается потребление АК в печени, увеличивается в гепатоцитах концентрация ферментов, принимающих участие в глюконеогенезе

Эффект кортизола развивается медленно.

Содержание глюкозы в крови начинает повышаться обычно через 5-6 часов после введения кортизола и достигает максимального уровня примерно через сутки

Повышение содержания глюкозы в крови сопровождается увеличением содержания гликогена в печени.

 

Соматотрофпный гормон гипофиза (СТГ)

Вызывает повышение содержание глюкозы в крови, но эффект при его введении 2-х фазный

В начале, в течение первых 15 минут содержание глюкозы в крови снижается, а затем развивается продолжительное повышение ее уровня в крови

Причем механизм этой ответной р-ии окончательно не выяснен

Тироксин

Вызывает повышение Содержание глюкозы в крови

Механизм окончательно не выяснен

Содержание глюкозы при гипертиреозе в крови всегда повышена, а вот содержание гликогена в печени понижается

Гипогликемическим гормоном, т.е. гомоном снижающим содержание глюкозы в крови является единственный гормон – инсулин

Он выделяется в кровь β к-ками островков Лангерганса в ответ на повышение содержания глюкозы в крови (т.е. когда вы съедаете что-либо сладкое, вы стимулируете выброс инсулина)

Снижение содержания глюкозы в крови обусловлено следующими метаболическими эффектами:

1. Инсулин повышает проницаемость клеточных мембран для глюкозы

2. Инсулин улучшает усвоение глюкозы к-ками

a. Стимулирует фосфорилирование глюкозы (т.е. активирует гексокиназу)

b. Стимулирует окислительный распад за счет активации ферментов, участвующих в расщеплении

c. Ускоряет перевод глюкозы в гликоген и превращение ее в триглицериды

3. Тормозит процессы глюконеогеенза, т.е. является антагонистом кортизола

4. Тормозит расщепление гликогена в гепатоцитах до глюкозы

Ответная реакция на введение инсулина развивается быстро. В физиологическом плане глюкагон и инсулин не являются антагонистами, т.к. глюкагон обеспечивает перевод резервного гликогена в печени в глюкозу, за счет ускорения мобилизации гликогена, а инсулин обеспечивает поступление глюкозы в клетки периферических тканей и последующую утилизацию

Синтез гликозаминогликанов (гетерополисахариды) стимулируется 2-мя гормонами: тестостероном и соматотропный гормоном

тормозят синтез гликоаминогликанов – глюкокортикоиды.

Галактоземия

Значительно опасна для детей раннего возраста. Нарушение усвоения моносахарида галактозы – галактоземия. У таких детей в крови повышено содержание галактозы. Этот моносахарид выделяется с мочой – развивается галактозурия. Причиной развития является дефект синтеза одного из ферментов, участвующих в обмене галактозы.
известно 2 варианта галактоземии

· швейцарский вариант – нарушение синтеза фермента галактокиназы (этот фермент отвечает за фосфорилирование галактозы), в данном случае галактоза не усваивается и часть галактозы восстанавливается в токсичный для к-к спирт галактитол)

· африканский вариант – у ребенка нарушается синтез фермента гексоза-1-фосфатуридилтрансфераза. В клетках накапливается галактоза и галактоза 1-фосфат. Их накопление оказывает на к-ки токсический эффект.

Африканский вариант протекает наиболее тяжело по сравнению со швейцарским, т.к. галактоза-1-фосфат не способен покидать клетку, в том время как свободная галактоза, которая накапливается при швейцарском варианте, свободно покидает клетки и легко выводится с мочой

При галактоземии признаки заболевания появляются через несколько дней после начала кормления. В начале это тошнота, рвота, дегидратация, позднее присоединяется поражение почек, увеличение в размерах печени, селезенки, нарушение физического и умственного развития, развитие катаракты.

Лечение: -перевод на диету, не содержащую галактозу.
у детей с африканским вариантом галактоземии примерно к годовалому возрасту в печени начинается синтез фермента гексозо-1-фосфоуридилтрансферазы и усвоение галактозы улучшается. Но если диагноз не поставлен своевременно, то к этому времени развивается ряд негативных нарушений, необратимых изменений, поэтому только своевременная диагностика позволяет спасти ребенка.

Непереносимость фруктозы

Вызвана отсутствием или фермента фруктокиназы (фермент, который катализирует фосфолирирование фруктозы, переводит его во фруктозо-1-фосфат), или фруктозо-1-фосфатальдолазы
При отсутствии фруктокиназы обычно развивается доброкачественная фруктоземия (повышение содержания фруктозы в крови, и появление ее в моче после приема пищи, содержащей фруктозу. Без других последствий)
При недостаточности фруктозо-1-фосфатальдолазы после приема пищи, содержащей фруктозу возникают боли в животе, рвота, понос, кома, судороги.
При продолжении приема пищи, содержащей фруктозу, развиваются тяжелые поражения печени и почек.

При лечении такого ребенка прежде всего нужно убрать из рациона продукты, содержащие фруктозу, в том числе полностью исключается сахароза

Дети, имеющие данный дефект, как правило, избегают сладостей совсем

Гликогеновые болезни (Гликогенозы и агликогенозы)

Связаны с наследственными нарушениями метаболических путей синтеза или распада гликогена.

2 варианта гликогеновых болезней

· избыточное накопление гликогена в клетках – гликогенозы

· отсутствие гликогена в клетках – агликогеноз

так же могут быть

· локальные – гликоген накапливается в одном иногда двух органах

· деминерализованные – гликоген накапливается в к-ках многих органов и тканей

Запись 73

Обмен и ф-ии углеводов

Классификация углеводов и их биологическая роль

Углеводы составляют незначительную часть от общего сухого веса ткани, это кол-во составляет не более 2%, в отличие от белков, содержание которых составляет до 45% сухого веса ткани

Углеводы выполняют в организме целый ряд жизненно важных ф-ии, участвуя в структурной и одновременно метаболической организации органов и тканей

Углеводы – многоатомные альдегидо- или кетоноспирты, а так же их олиго- и полимеры

Из принято делить на 3 группы

1. Моносахариды и их производные

2. Олиго-

3. Поли-

Моносахариды

По хар

-ру карбонильной группы

1. Альдозы

 

	глицеральдегид

 

2. Кетозы

 

	дигидроксиацетон

 

По кол-ву атомов углерода в молекуле

1. Триозы

2. Тетрозы

3. Пентозы

4. Гексозы

и т.д.

обычно моносахариды называют по тривиальной номенклатуре: Глюкоза, манноза, фруктоза, галактоза, рибоза и тд

Производные моносахаридов:

• фосфорные эфиры

•  уроновые кислоты (н-р, глюкуроновая)

•  аминосахара

•  и др.

общее кол-во различных мономеров и их производных составляет несколько десятков, т.е. в количественном выражении это не уступает кол-ву АК, входящих в состав белков

олигосахариды – олигомеры, мономерными единицами которых являются моносахариды или их производные. Число отдельных мономерных блоков от 2 до 20

все мономерные единицы соединяются гликозидными связями

олигосахариды делят:

1. Гомоолигосахариды (мальтоза) – состоят из одинаковых мономеров

2. Гетероолигосахариды (лактоза, сахароза) – в структуре присутствуют разные мономеры и их производных

Широко представлены в составе гликоконъюгатов (т.е. не в свободном виде) гетероолигосахариды, т.к. существуют много различных видов связей (a и b гликозидные связи), так же большие вариации кол-ва мономеров, поэтому гетероолигосахариды, входящие в состав более сложных компонентов, получивших название гликоконъюгаты, входят в состав гетерополисахаридов (гликозаминопротеогликанов)

Полисахариды – типичные полимеры, построенные из моносахаридов или их производных, которые соединены между собой гликозидными связями

Число мономерных звеньев более 20 (нижняя граница нормы) и может достигать нескольких десятков тысяч.

Если полимеры  состоят из одинаковых мономерных единиц, то это гомополисахариды (в организме человека гликоген). Если они состоят из различных мономерных единиц, то это гетерополисахариды.

Гликоген по структуре похож на амилопектин, но у него большая молекулярная масса и он более разветвлен. Связи остатков глюкозы в гликогене - a-1,4- и a-1,6-гликозидные связи

Гетерополисахариды (Гликозаминогликаны):

1. гиалуроновая кислота

2.  хондроитинсульфат

3.  кератансульфат

4.  дерматансульфат

5.  гепарансульфат

6.  гепарин

каждый из названных гетероолигосахаридов состоит из индивидуального набора мономерных единиц. Н-р основными мономерными единицами гиалуроновой к-ты являются - глюкуроновая к-та и N-ацетилглюкозамин

Ф-ии различных углеводов

различны для разных классов соединений, но их можно объединить:

1. Энергетическая

2. Структурная

3. Резервная

4. Регуляторная

5. Пластическая

моносахариды:

1. Энергетическая – окислительное расщепление моносахаридов дает организму до 60% необходимой ему энергии

2. Структурная – моносахариды и их производные являются мономерными единицами более  сложных молекул полисахаридов и нуклеотидов

3. Пластическая – промежуточные метаболиты, образующиеся при расщеплении углеводов,  используются для синтеза липидов, синтеза заменимых АК

Гетероолигосахариды

1. Структурная – являются структурными компонентами гликоконъюгат (этогиликолипиды и гликопротеиды)

2. некоторые гликопротеиды, н-р гормоны гипофиза выполняют регуляторную ф-ию

 

 

гликоген:

резервный полисахарид – резерв энергетического и пластического материала. Гликоген присутствует практически во всех тканях организма человека, причем наибольшее его кол-во синтезируется в печени и мышечной ткани.