Основные пути катаболизма углеводов

Распад углеводов в организме человека и животных начинается еще в ротовой полости. Полисахариды и олигосахариды распадаются на простые со­единения посредством реакций двух типов: гидролиза и фосфоролиза.

Гидролиз (или расщепление макромолекулы в присутсвии воды) крахмала ускоряется специфическими ферментами — амилазами, относящимися к классу гидролаз. В зависимости от характера фермента гидролитический разрыв эфирных связей меж­ду остатками a-D-глюкопиранозы в молекуле крахмала может происходить до глюкозы, мальтозы или олигосахаридов.

В природе найдено несколько амилаз: a-амилаза, b-амилаза, g-амилаза (глюкоамилаза) и амило-1,6-глюкозидаза.

a-Амилаза (a-1,4-глюкан-4-глюканогидролаза) ускоряет гид­ролиз внутренних a-1,4-гликозидных связей в молекуле крахмала. В качестве основного конечного продукта гидролиза крахмала при участии a-амилазы образуется мальтоза в a-форме. a-Амилаза най­дена у всех видов растений и животных.

b-Амилаза (a-1,4-глюкан-мальтогидролаза) ускоряет гидролиз a-1,4-гликозидных связей, начиная с невосстанавливающего конца молекулы крахмала, последовательно отщепляя остатки мальтозы. Мальтоза, освобождающаяся при гидролизе крахмала под действием b-амилазы, получается в b-форме. Образование последней происходит в момент гидролиза a-гликозидной связи вследствие изменения пространственной конфигурации образу­ющегося гликозидного гидроксила при первом углеродном ато­ме остатка глюкозы. b-Амилаза найдена лишь у высших расте­ний.

g-Амилаза (a-1,4-глюкан-глюкогидролаза, глюкоамилаза) уско­ряет гидролиз a-1,4-гликозидных связей в молекуле крахмала или олигосахаридов, последовательно отщепляя остатки глюкозы от невосстанавливающего конца молекулы.

Амило-1,6-глюкозидаза (амило-6-глюканогидролаза) ускоряет реакцию гидролиза 1,6-связей в молекуле крахмала (амилопектина), т.е. в точках разветвления полиглюкозидной цепи, и образует олигосахариды с тем или иным числом остатков a-D-глюкозы и зависимости от длины отщепляемой боковой цепи. Фермент ха­рактерен для животных тканей, но встречается также у растений и микроорганизмов. Характерной особенностью всех амилаз явля­ется отсутствие абсолютной специфичности действия. Они ускоряют гидролиз различных соединений: амилозы, амилопектина, гликогена и олигосахаридов.

Аналогично крахмалу и гликогену гидролизуются и другие при­родные полисахариды: целлюлоза — при участии фермента целлюлазы, хитин — хитиназы, гепарин — гепариназы и др. Дисахариды, возникающие в ряде случаев при гидролизе полисахаридов (например, мальтоза и целлобиоза) или существующие в орга­низме в свободном виде (лактоза, сахароза, трегалоза и др.), гид­ролизуются при каталитическом воздействии a- и b-гликозидаз до индивидуальных моносахаридов.

Другой путь распада полисахаридов и олигосахаридов — фосфоролиз — наиболее характерен для гликогена. Реакция фосфоролиза заключается в присоединении фосфорной кислоты по месту разрыва гликозидной связи между остатками моносахаридов в мо­лекулах олиго- или полисахаридов.

Реакции фосфоролиза ускоряются специфическими фермен­тами — фосфорилазами (гликозилтрансферазами), причем фосфоролитическому расщеплению подвергаются лишь 1,4-гликозидные связи. Поэтому в случае фосфоролиза, например, амидопектина распад прекращается в точках разветвления молекулы, где имеются 1,6-связи. Дальнейший фосфоролиз будет происходить лишь после расщепления 1,6-связей в остаточном декстрине при посредстве амило-1,6-гликозидазы.

Таким образом, при распаде олиго- и полисахаридов возника­ют свободные моносахариды или их фосфорные эфиры. В дальней­шем обмене моносахаридов участвуют только их фосфорные эфиры, свободные же монозы фосфорилируются, превращаясь в фос­форные эфиры, представляющие собой гораздо более реакционноспособные соединения по сравнению со свободными моноса­харидами.

Фосфорилирование моносахаридов осуществляется при их вза­имодействии с АТФ и ускоряется ферментами — фосфотрансферазами, носящими название киназ. Фосфорилирование глюкозы, например, идет по схеме: глюкокиназа

Глюкоза + АТФ ¾¾¾¾¾¾® Глюкозо-6-фосфат + АДФ.

В природе обнаружено около двух десятков индивидуальных фосфотрансфераз, переносящих остатки фосфорной кислоты от АТФ. Процесс обмена углеводов про­текает через некоторые их формы, занимающие ключевые пози­ции (например, глюкозо-6-фосфат и рибулозо-5-фосфат).

Глюкозо-6-фосфат образуется в организме разными путями, в том числе при фосфорилировании глюкозы, и, за счет изомери­зации (при уча­стии фермента фосфоглюкомутазы) глюкозо-1-фосфата, который образуется в свою очередь в процессе фосфоролиза олиго- и полисахаридов.

Глюкозо-6-фосфат подвергается разнообразным превращениям. В процессе его окислительного распада запасается энергия в мак-роэргических связях АТФ. Кроме того, многие из промежуточ­ных продуктов, образующихся при обмене глюкозо-6-фосфата, используются для синтеза аминокислот, нуклеотидов, глицери­на, высших жирных кислот и т. п.

Катаболизм глюкозо-6-фосфата осуществляется преимущественно двумя путями: дихотомическим (гликолиз), когда на определенной стадии молеку­ла распадается пополам, и апотомическим (пентозофосфатный путь), когда молекула теряет пер­вый углеродный атом.

На рисунке 4.6 показана схема, обобщающая основные пути распада углеводов.

Рисунок 4.6 - Схематическое изображение путей катаболизма

Полисахаридов

Взаимосвязи между путями распада углеводов сложны и опре­деляются как видовыми особенностями, так и условиями жизнедеятельности организмов. Даже в различных тканях и органах од­ного и того же организма соотношения путей распада углеводов могут быть различными. У подавляющего большинства организ­мов аэробный путь распада углеводов в целом превалирует над анаэробным, а дыхание подавляет гликолиз и брожение.