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 моносахаридовстенкой 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 печенипроисходит 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
- Аэробный гликолиз.
- Глюконеогенез.
- Пентозный цикл.
- 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.
- 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
- Обратной фосфофрукиокиназной являются реакция, катализируемая
фруктозо-1,6- бисфосфатазой (Ф-1,6-БФ-ой):
- 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.