Гидролиз углеводов в органах пищеварительной системы

В полости рта пищевой комок измельчается. В нем крахмал расщепляются амилазой слюны до их фрагментов – амилодекстринов, дающих с иодом фиолетовое окрашивание. У свиней и у жвачных животных амилаза в много раз активнее, чем у человека.В слюне содержится также мальтаза, расщепляющая мальтозу. Пищевой комок поступает в желудок, где постепенно пропитывается хлористоводородной кислотой. За это время внутри его амидекстрины успевают расщепиться до эритродекстринов, образующих с иодом красное окрашивание.

Клетчатка в преджелудках жвачных животных расщепляются находящимися там микроорганизмами до пропионовой кислоты. Последняя активируется в пропионил-КоА, который в результате двух последовательных реакций превращается в активную форму янтарной кислоты (сукцинил-КоА)

О СООН

// │

СН₃-СН₂-С-S-КоА+АТФ+СО₂ Пропионилкарбоксилаза СН₃-СН-СО-S-КоА +АДФ+Ф

Пропионил-КоА Кофермент - биотин Метилмалонил-КоА:

 

СООН О

│ //эритродекстринов, дающих с иодом века.сщепляющая мальтозу.

СН₃-СН-СО-S-КоА Метилмалонилмутаза НООС-СН₂-СН₂-С-S-КоА

Метилмалонил-КоА Кофермент – кобаламин Сукцинил-КоА

Кофермент метилмалонилмутазы, кобаламин (витамин В₁₂), вырабатывается микроорганизмами преджелудков, превращающими клетчатку в пропиононовую кислоту. Сукцинил-Коа в дальнейшем окисляется в цикле Кребса.

В 12-персной кишке кислое желудочной содержимое нейтрализуется карбонатами кишечного сока до слабощелочной среды. Поступившие из желудка дестрины продолжают расщепляться ά-амилазой до ахродекстринов, не дающих с иодом окрашивания. Они расщепляются олиго-1,6-гликозидазой до еще более мелких декстринов, в которых 1-6 связи (места ветвления радикалов ά-D-глюкопиранозы) гидролизуются амило-1,6-гликозидазой. Образующиеся молекулы мальтозы расщепляются мальтазой на 2 молекулы глюкозы. Аналогичным превращениям подвергается гликоген, но продукты его расщепления дают с иодом другую окраску.

Расщепление мальтозы до двух молекул глюкозы начинается в ротовой полости и заканчивается в тонком кишечнике под действием мальтазы. В последнем сахароза под действием сахаразы расщепляется до глюкозы и фруктозы, а лактоза – под действием лактазы – до глюкозы и галактозы.

Всасывание моносахаридов стенкой тонкого кишечника происходит после предварительного образования их комплекса с уридиндифосфорной кислотой. В стенке кишечника комплекс расщепляется, глюкоза поступает в кровь и доставляется главным образом в печень, а также в другие органы.

Депонирование и расщепление гликогена в печени происходит с целью поддержания постоянства концентрации глюкозы в крови. У здоровых животных она равна 3,8-5,2 ммоль/л и сохраняется постоянной в течение суток. После приема пищи, когда повышается концентрация глюкозы в крови, по одному остатку ее постепенно откладывается в гликоген печени в результате следующих реакций:

 

 

 

 

 

Этот процесс усиливает гормон поджелудочной железы инсулин, активирующий гликогенсинтазу.

В промежутках между приемом пищи гликоген печени расщепляется в результате следующих реакций:

 

Этот процесс усиливает гормон поджелудочной железы глюкагон, активирующий гликогенфосфорилазу. При снижении концентрации глюкозы в крови от гликогена постепенно отщепляется по одному остатку ее, который поступает в кровь. При стрессовых ситуациях мозговым слоем надпочечников выделяется гормон адреналин, также активирующий гликогенфосфорилазу. Происходит усиленное поступление глюкозы в кровь.

 

Окисление глюкозы в тканях

Этот процесс может протекать в отсутствии кислорода (анаэробный гликолиз), когда глюкоза расщепляется до молочной кислоты. В присутствии кислорода (аэробный гликолиз) она окисляется до углекислого газа и воды. Оба процесса, реакции которых совпадают до стадии образования пировиноградной кислоты, необходимы главным образом для генерации АТФ.

Анаэробный гликолиз – источник АТФ у анаэробных микроорганизмов. У аэробных организмов функционирует наряду с аэробным гликолизом, дополняя его.

 

 

Анаэробное окисление гликогена в мышцах. При усиленном сокращении мышц в миоциты не успевает поступать кислород. В этих условия гликоген, содержащийся в мышцах, расщепляется гликогенфосфорилазой до глюкозо-1-фосфата. Последний превращается в результате фосфоглюкомутазной реакции в глюкозо-6-фосфат, который включается в реакции анаэробного гликолиза. При этом при окислении одного остатка глюкозы генерируется в конечном итоге 3 молекулы АТФ (при образовании глюкозо-1-фосфата АТФ не затрачивается).

Физиологическая роль анаэробного гликолиза.

Этот процесс является источником АТФ в клетках, особенно при недостатке кислорода в тканях. При окислении одной молекулы глюкозы в реакциях субстратного фосфорилирования образуется 4 молекулы АТФ: по 2 молекулы его в фосфоглицераткиназной и пируваткиназной реакциях. 2 молекулы АТФ затрачиваются на начальных этапах гликолиза: в гексокиназной фосфофруктокиназной реакциях. В конечном итоге, в реакциях анаэробного гликолиза из одной молекулы глюкозы генерируется 2 молекулы АТФ. При этом образуются 2 молекулы молочной кислоты, способные закислять ткани. Поэтому молочная кислота в реакциях глюкоконеогенеза обратно превращается в глюкозу.

Лекция №10

ОБМЕН УГЛЕВОДОВ

План

1. Аэробный гликолиз.
2. Глюконеогенез.
3. Пентозный цикл.
4. Регуляция и патология углеводного обмена.

 

Аэробный гликолиз – основной источник АТФ в клетках. До стадии образования 3-фосфоглицеральдегида реакции его совпадают с реакциями анаэробного гликолиза. В дальнейшем, в процессе превращения двух молекул 3-фосфоглицеральдегида в две молекулы 1,3-бисфосфоглицериновой кислоты из двух молекул НАД генерируются две молекулы НАД-Н₂. При окислении последних в дыхательной цепи митохондрий вырабатывается 6 молекул АТФ (2Х3). Реакции окисления двух молекул1,3-бисфосфоглицериновой кислоты до двух молекул пировиноградной кислоты также совпадают с соответствующими реакциями анаэробного гликолиза. В дальнейшем все идет по-другому: 2 молекулы пировиноградной кислоты превращаются в 2 молекулы ацетил-КоА:

 

 

При этом происходит восстановление двух молекул НАД. При окислении двух молекул НАД-Н₂ в дыхательной цепи митохондрий вырабатывается 6 молекул АТФ. Реакцию катализирует пируватдегидрогеназный комплекс, отщепляющий от молекул пирувата углекислый газ (окислительное декарбоксилирование) и присоединяющий к месту отщепления –S-КоА. В состав его входят 5 коферментов: НАД, ФАД, ТиаминДФ, HS-КоА и липоевая кислота. Образующиеся 2 молекула ацетил-КоА в дальнейшем окисляются в цикле Кребса. При этом генерируются 2 молекулы ГТФ, восстанавливаются 6 (2Х3)молекул НАД и 2 молекулы ФАД. При дальнейшем окислении НАД-Н₂ и ФАД-Н₂ в дыхательной цепи митохондрий генерируются 22 молекулы АТФ.

Физиологическая роль аэробного гликолиза

1.Этот процесс является основным источником АТФ в клетках. При окислении одной молекулы глюкозы затрачивается 2 молекулы АТФ (в гексокиназной и фосфофруктокиназной реакциях), но генерируется 40 его молекул в реакциях

3-фосфоглицеральдегиддегидрогеназной – 6 АТФ,

фосфоглицераткиназной– 2 АТФ,

пируваткиназной – 2 АТФ,

пируватдегидрогеназной – 6 АТФ,

изоцитратдегидрогеназной – 6 АТФ,

α-кетоглутаратдегидрогеназной – 6 АТФ,

сукцинилтиокиназной – 2 АТФ,

малатдегидрогеназной– 6 АТФ.

Итого - 40 молекул АТФ.

С учетом двух затраченных молекул АТФ энергетический эффект окисления одной молекулы глюкозы в реакция аэробного окисления глюкозы составляет 38 молекул АТФ. Конечными продуктами этого процесса являются углекислый газ и вода.

2. В реакциях аэробного гликолиза образуются метаболиты, необходимые для биосинтеза других веществ. Пировиноградная, щавелевоуксусная и α-кетоглутаровая кислоты участвуют в реакциях переаминирования аминокислот. 3-фосфоглицеральдегид используется для биосинтеза глицерола, а ацетил-КоА – жирных кислот, холестерола и т.д. Из пировиноградной кислоты синтезируется щавелевоуксусная кислота, необходимая для функционирования цикла Кребса.

 

Глюконеогенез – образование глюкозы из неуглеводных источников: некоторых аминокислот, глицерола, молочной и пировиноградной кислот. Протекает в печени и в меньшей степени – в почках и слизистой оболочке кишечника. Является в основном процессом, обратным процессу гликолиза, реакции которого катализируют в обратном направлении те же ферменты, что и ферменты гликолиза, за исключение трех ферментов. Пируваткиназная, фосфофруктокиназная и гексоконазная реакции протекают только а одном направлении. Реакцию, обратную пируваткиназной, катализируют 2 фермента: пируваткарбоксилаза и фосфоенолпируваткарбоксикиназа. Гидролиз фруктозо-1,6-бисфосфата до фруктозо-6-фосфата катализирует фруктозо-6-фосфатаза, а расщепление глюкозо-6-фосфата до глюкозы - глюкозо-6-фосфатаза. Биосинтез четырех специфических ферментов глюконеогенеза усиливают гормоны коркового слоя надпочечников – глюкокортикоиды.

1. Обратными пируваткиназной являются реакции, катализируемые

пируваткарбоксилазой (ПК-ой) и фосфоенолпируваткарбоксикиназой (ФЕПКК-ой):

 

СООН

 

СН₃ СН₂ CН₂

1 1 ||

СО₂ + С=О ПК-за С=О ФЕПКК-за O~O-РО₃Н₂

1 Биотин 1 -СО₂ 1

СООН СООН СООН

АТФ АДФ+ ГТФ ГДФ

Н₃РО₄

Пировиноград- Щавелевоуксус- Фосфоенолпи-

ная кислота ная кислота ровиноградная

кислота

1. Обратной фосфофрукиокиназной являются реакция, катализируемая

фруктозо-1,6- бисфосфатазой (Ф-1,6-БФ-ой):

 

 

1. Обратная гексокиназной является реакция, катализируемая глюкозо-6-

Фосфатазой (Г-6-Ф-ой):

 

Биологическая роль глюконеогенеза.

Глюконеогенез из молочной кислоты усиливается при повышении в тканях ее уровня, вызванном физическими нагрузками или недостатком в организме кислорода. При этом молочная кислота вначале превращается в пировиноградную в результате реакции, катализируемой лактатдегидрогеназой. Глюконеогенез из аминокислот усиливается при хронических стрессовых ситуациях, сахарном диабете и других состояниях, приводящих к недостатку в организме углеводов. При этом некоторые аминокислоты предварительно превращаются в пировиноградную кислоту. Это приводит к усиленному образованию аммиака, обезвреживающегося в мочевину в реакциях орнитинового цикла.

 

 

Пентозный цикл

Аэробный гликолиз называют дихотомическим путем окисления углеводов, поскольку он протекает в 2 стадии: окисления глюкозы до пирувата и последнего – до углекислого газа и воды. Существует еще апотомический (прямой) путь окисления глюкозы – пентозный цикл или гексозомонофосфатный шунт. В нем окисляется около 2% глюкозы (в печени – 25%). Этот процесс условно делят на 2 части: реакции окислительной и пластической ветвей пентозного цикла.

 

 

 

 

Итог пентозного цикла.

В реакции его вступают 6 молекул глюкозо-6-фосфата. Одна из них полность расщепляется до 6 молекул углекислого газа, 12 ионов водорода, восстанавливающих 6 молекул НАДФ. Остальные молекулы глюкозо-6-фосфата окисляются до 6 молекул пентозо-3-фосфатов: рибозо-5-фосфата, рибулозо-5-фосфата и ксилулозо-3-фосфата. В результате взаимодействия 6 молекул пентозо-3-фосфатов между собой образуется 5 молекул глюкозо-6-фосфата.

Биологическая роль пентозного цикла

В реакциях окислительной ветви этого метаболического пути генерируется рибозо-5-фосфат, необходимый для биосинтеза нуклеотидов нуклеиновых кислот, АТФ, НАД,ФАД, витамина В₁₂ и других веществ.

Генерирующийся в реакциях пентозного цикла НАДФ-Н₂ используется не в процессах энергообеспечения, а в реакциях биосинтеза жирных кислот, холестерола и других веществ.

НАДФ-Н₂ применяется также в реакция гидроксилирования эндогенных и чужеродных соединений, протекающих в цепи перенося электронов с участием цитохрома Р₄₅₀, расположенной на мембрагнах эндоплазматического ретикулума.

НАДФ-Н₂ принимает участие в восстановлении глутатиондисульфида, образовавшегося в реакциях обезвреживания перекисных и других токсических соединений.