СПЕЦИФІЧНІ ШЛЯХИ КАТАБОЛІЗМУ ВУГЛЕВОДІВ

СПЕЦИФІЧНІ ШЛЯХИ КАТАБОЛІЗМУ ВУГЛЕВОДІВ. АНАЕРОБНЕ ОКИСНЕННЯ ГЛЮКОЗИ. АЕРОБНЕ ОКИСНЕННЯ ГЛЮКОЗИ. АЛЬТЕРНАТИВНІ ШЛЯХИ ОБМІНУ МОНОСАХАРИДІВ

 

Обмін вуглеводів

Описание: C:\Users\admin\Desktop\мат_практ_3010\03. Специфічні шляхи катаболізму вуглеводів..files\image001.jpg

В організмі людини і тварин вміст вуглеводів становиться близько 2 % сухої маси, що значно менше від вмісту білків (45 %) і ліпідів (15 %). Серед них є декілька десятків моносахаридів і тисячі різних оліго- і полісахаридів. Центральне місце займають моносахарид глюкоза і гомополісахарид глікоген, який складається із залишків глюкози. Усі інші оліго- і полісахариди складаються з різних моносахаридів і рідко зустрічаються у вільному вигляді, а частіше у складі глікопротеїнів, протеогліканів, гліколіпідів, гліколіпопротеїнів.

http://www.youtube.com/watch?v=QckfYvIlVu4&feature=relmfu 

У тваринних організмах вміст вуглеводів відносно невисокий, становлячи всередньому 1-2 % сухої маси, в основному у вигляді резервного полісахариду глікогену. Втім, вуглеводи відіграють життєво важливі енергетичні (моносахариди глюкоза, фруктоза, гомополісахарид глікоген) та структурні гетерополісахариди) функції.

 

Вуглеводи виконують різноманітні функції, серед яких у кількісному відношенні найбільш важлива енергетична. При споживанні змішаної їжі за рахунок вуглеводів забезпечується 50-60 % енергетичних потреб організму. Вуглеводи можуть окиснюватись з виділенням енергії в аеробних й анаеробних умовах. Глікоген відіграє функцію енергетичного депо. Структурну роль в організмі людини і тварин виконують гетерополісахариди (глікозаміноглікани) міжклітинної речовини. Гелеподібні речовини вуглеводної природи служать мастилом у суглобах. Олігосахаридні компоненти глікопротеїнів і гліколіпідів мембран утворюють центри розпізнавання біомолекулами, забезпечують адгезію клітин при гістогенезі і морфогенезі, виконують роль антигенів. Пентози (рибоза і дезоксирибоза) входять до складу нуклеїнових кислот, коферментів-нуклеотидів. Із вуглеводів в організмі синтезуються інші сполуки, зокрема жири, замінні амінокислоти, стероїди.

Вуглеводи є головним джерелом енергії в харчуванні людини. Добова потреба організму здорової людини у вуглеводах дорівнює в середньому 450-500 г.

Враховуючи енергетичну цінність вуглеводів така кількість вуглеводів відповідає приблизно 70 (65-75) % потребу добовій калорійності продуктів харчування.

Оскільки вуглеводи є основним енергетичним джерелом у харчуванні, добова потреба в них прямо пропорційна фізичній активності людини, складаючи для дорослих людей (за Ф.Ф.Боєчко, Л.О.Боєчко, 1993):

– при розумовій праці – 430 г;

– прифізичній праці:

– легкій – 490 г,

– середній – 560 г,

– важкій – 630 г.

Головним джерелом вуглеводів для організму людини є крохмаль рослинних

продуктів (400-450 г/добу). Зерна пшениці, жита, рису, кукурудзи містять 60-80 % крохмалю, бульба картоплі — 15-20 %. Джерелами харчового цукру, який складається переважно із сахарози, є цукровий буряк та цукрова тростина. Рекомендована добова норма харчового цукру для дорослої людини складає близько 50 г, хоча реальні величини його споживання коливаються від 20 до 100 і більше г/добу,залежно від харчових звичок та соціально-економічного стану населення.

http://www.youtube.com/watch?v=PQMsJSme780&feature=related

Продукт окиснення глюкози – глюкуронова кислота – має здатність знешкоджувати продукти гниття білків.

Вуглеводи і їх похідні використовуються в практичній медицині: глюкоза 40 %, глікозиди (наприклад, дигіталіс) – як серцевий засіб, а декстран – як кровозамінник.

Вуглеводи надходять в організм у складі звичайних харчових продуктів рослинного і тваринного походження. На вуглеводи припадає близько 2/3 маси їжі, а за калорійністю – близько 55 %. Рекомендується, щоб дисахариди (сахароза і лактоза) і моносахариди (глюкоза і фруктоза) складали не більше 1/6 від загальної кількості вуглеводів їжі. Перевага полісахаридів (крохмалю і глікогену) зумовлюється:

1) повільним темпом травлення, а значить не таким різким підйомом концентрації глюкози в крові і меншим перевантаженням систем її утилізації;

2) відсутністю солодкого смаку, що знижує ймовірність переїдання.

Глюкоза може утворюватись в організмі з амінокислот, гліцерину, молочної кислоти та інших речовин. Цей процес посилюється за недостатнього надходження вуглеводів їжі. Схема обміну вуглеводів в організмі людини показана на рис.

Описание: C:\Users\admin\Desktop\мат_практ_3010\03. Специфічні шляхи катаболізму вуглеводів..files\image002.jpg

http://www.youtube.com/watch?v=p-lFJVOkFwk

http://www.youtube.com/watch?v=XmrwRAytaMU&feature=related

Центральна роль глюкози зумовлена її структурою і фізико-хімічними властивостями.

Порушення обміну вуглеводів характерні для ряду захворювань – цукрового діабету, непереносимості лактози, фруктози, галактоземії, глікогенозів, уражень печінки, нервової системи.

ВУГЛЕВОДИ (глюциди, цукри) — біоорганічні сполуки, що за своєю хімічною будовою є альдегідо- та кетопохідними багатоатомних спиртів, або поліоксіальдегідами та поліоксикетонами.Вуглеводи, що відповідають зазначеним хімічним структурам і не підлягають гідролізу (тобто розщепленню водою на більш прості сполуки), є простими вуглеводами, або моносахаридами. Вуглеводи, що гідролізуються до моносахаридів, мають назву складних вуглеводів – олігосахаридів та полісахаридів. Вуглеводи утворюються в природі з діоксиду вуглецю та води за рахунок фотосинтезу, що протікає в рослинах та деяких мікроорганізмах, і складають основну масу органічного вуглецю біосфери; їх вміст у тканинах рослин становить близько 80 % маси. У свою чергу, рослинні вуглеводи є одним із основних джерел вуглецю для тваринних організмів.

Фізіологічні функції:

- Енергетична. Джерело енергії. Для людини. Під час окиснення 1г виділяється 16,9 кДж (4ккал) енергії.

- Пластична. З вуглеводів синтезуються органічні та нуклеїнові кислоти.

- Регуляторна. Регулюють осмотичні процеси; протидіють накопиченню кетонових тіл під час окиснення жирів.

- Опорна. У комплексі з білками входять до складу хрящових тканин.

- Захисна. Важлива роль вуглеводів в захисних реакціях організму, особливо, які відбуваються в печінці. Взаємодіють в печінці з багатьма отруйними сполуками, переводячи їх в нешкідливих і легко розчинних речовини. Глюкуронова кислота сполучаючись із токсичними речовинами, утворює нетоксичні складні ефіри. Захисна функція – в’яжучі секрети, які виділяються різними залозами і багаті на мукополісахариди, захищають стінки деяких порожнистих органів від механічних пошкоджень і від проникнення патогенних бактерій і вірусів.

- Спеціалізована. Деякі вуглеводи та їх похідні мають біологічну активність, виконуючи в організмі спеціалізовані функції.  Гепарин попереджає зсідання крови в судинах,  гіалуронова кислота запобігає прониканню бактерій через клітинну оболонку. Виконують (окремі представники) в організмі особливі функції, наприклад, беруть участь у проведенні нервових імпульсів, утворенні антитіл, забезпечують специфічність груп крові, нормальну діяльність центральної нервової системи.

 

Вуглеводневі запаси людини дуже обмежені, під час інтенсивної праці швидко витрачаються, тому вуглеводи повинні потрапляти в організм є їжею кожний день. Добова потреба 400-500г.

Вуглеводи в харчових продуктах

 

Описание: Описание: Описание: Описание: Описание: Описание: Описание: http://t2.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcT0bHCghi5dg0A3Kl_Upy4eSYqvbW7lqUmjjNKF4ErrcwKAufao

 

З точки зору харчової цінності вуглеводи поділяють на:

- ті, що засвоюються:  моно- та олігосахариди.

- не засвоюються: целюлоза, геміцелюлоза,  інулін, пектин, камеді, слизи.

В травному тракті вуглеводи, які засвоюються – розщеплюються, всмоктується, а потім або утилізуються (глюкоза) або перетворюються на жир, або відкладаються на тимчасове зберігання (глікоген). Накопичення жиру особливо характерно під час надлишку в дієті простих ВВ та відсутності витрати енергії. Засвоювані швидко перетравлюються в шлунку. Це — моноцукри (глюкоза, галактоза, маноза, ксилоза, фруктоза), дисахариди (цукроза, або сахароза, лактоза, мальтоза) та α-глюканові полісахариди (крохмаль, декстрин і глікоген). Споживання рафінованих вуглеводів призводить до однієї з найпоширеніших хвороб світу — цукрового діабету, яку ще називають „хворобою кондитерів“.

Моносахариди та олігосахариди потрапляють в організм людини з продуктами: кондвироби, напої, морозиво.  Беручи до уваги, що сахароза сприяє зростанню вмісту в  крові  глюкози, кондитерські вироби є найменш цінними із вуглеводневих продуктів.

Описание: C:\Users\admin\Desktop\мат_практ_3010\03. Специфічні шляхи катаболізму вуглеводів..files\image004.jpg

 

 Вуглеводи, які не засвоюються в організмі людини не утилізують ся, але вони досить важливі для травлення і складають так звані харчові волокна (ХВ).

Функції харчових волокон в травленні:

- стимулюють моторну функцію кишечнику;

- запобігають всмоктуванню холестерину;

- позитивно впливають на нормалізацію складу мікрофлори кишечнику, уповільнюють гнілістні процеси;

- впливають на ліпідний обмін, порушення якого призводить до ожиріння; адсорбують жовчні кислоти;

- сприяють зниженню вмісту  та видалення токсичних речовин.

Серед незасвоюваних вуглеводів важливе значення мають клітковина (целюлоза), геміцелюлоза, протопектин, лігнін, пектини, слиз та камеді. Вони складають основу харчових волокон. Клітковина і геміцелюлоза є структурними компонентами оболонки клітин. Вони мають здатність зв’язувати воду (0,4 г води на 1 г клітковини) і є наповнювачами їжі. Добова норма харчових волокон для дорослої людини становить 25—30 г. Недостатність у раціоні овочів із високим вмістом харчових волокон призводить до порушення обміну речовин, погіршення травлення та загального ослаблення організму. Характерними хворобами при дефіциті харчових волокон є виразкова хвороба шлунку і дванадцятипалої кишки, сечокам’яна хвороба та подагра. Водночас переважання грубої овочевої їжі також небажане і призводить до неповного перетравлення їжі, порушення всмоктування мінеральних речовин та вітамінів. Це призводить до утворення надлишкових газів у кишечнику, проносу та болів у шлунку. Тут дуже важливе почуття міри і мудрість у використання грубої овочевої їжі.

При недостатній кількості в їжі не засвоюваних вуглеводів спостерігається збільшення серцево-судинних захв., злоякісних утворювань товстої кишки. Добова норма ХВ 20-25г. джерело ХВ: пшеничні висівки, овочі, фрукти.

 

ТРАВЛЕННЯ ВУГЛЕВОДІВ

 

У шлунково-кишковому тракті полі- і дисахариди гідролізуються під дією ферментів глікозидаз до моносахаридів, які здатні всмоктуватись. Із вуглеводів їжі в організмі людини засвоюються полісахариди крохмаль і глікоген, дисахариди сахароза, лактоза і мальтоза, моносахариди глюкоза і фруктоза. Останні містяться в їжі у невеликих кількостях (фрукти, мед). Більша частина рослинних вуглеводів (целюлоза, лігнін, пектини, ксилани тощо) не засвоюється в організмі людини внаслідок відсутності ферментів, які б розщеплювали їх до моносахаридів.

Клітковина (целюлоза) - найпоширеніший високомолекулярний некрохмальний полісахарид. Це основний компонент і опорний матеріал клітинних стінок рослин. Клітковина нерозчинна у воді і в звичайних умовах не піддається гідролізу кислотами.

Целюлоза (клітковина), як і крохмаль чи глікоген, складається з ланок глюкози, однак, на відміну від них, містить залишки b-D-глюкопіранози. Тому, при утворенні зв'язків 1®4 між ланками, вони повертаються по відношенню одна до другої на 180°, як ми це бачили на прикладі целобіози. Наявність b-(1®4) зв'язків у молекулі полімеру і визначає принципову відмінність його властивостей та функцій від резервних полісахаридів:

Описание: C:\Users\admin\Desktop\мат_практ_3010\03. Специфічні шляхи катаболізму вуглеводів..files\image005.gif

Целюлоза має молекулярну масу від 100 тис. до 1 млн. Вона не розчиняється у воді. Завдяки своїй стійкості це найбільш поширений в світі біополімер.

Целюлоза виконує структурну функцію в рослинному світі – основна складова частина оболонок рослинних клітин. Деревина на 50% складається з целюлози, а льон, вовна - це майже чиста целюлоза.

Але целюлоза й інші рослинні полісахариди повинні обов'язково входити до складу їжі людини. Завдяки абсорбції води, масв якої у 10-15 разів більша за їх власну масу, рослинні волокна сильно збільшують об'єм харчової грудочки і таким чином стимулюють перистальтику ШКТ. Неперетравлена целюлоза сприяє формуванню калових мас. Крім того, рослинні волокна сорбують деякі токсичні речовини, зокрема канцерогенні, що зменшує їх вбирання стінкою кишечника і зумовлює виведення з організму.

Розщеплення крохмалю і глікогену починається у роті під час жування їжі завдяки дії ферменту амілази, який виділяється слинними залозами.

http://www.youtube.com/watch?v=AEsQxzeAry8

Амілаза каталізує гідроліз альфа-1,4-глікозидних зв'язків полісахаридів (рис. ).

Описание: C:\Users\admin\Desktop\мат_практ_3010\03. Специфічні шляхи катаболізму вуглеводів..files\image006.jpg

 

Залежно від часу знаходження їжі в роті, розщеплюється різна кількість зв'язків і утворюється суміш декстринів (олігосахаридів), мальтози та ізомальтози – дисахаридів, в яких залишки глюкози з'єднані, відповідно, альфа-1,4- і альфа-1,6-глікозидними зв'язками, та незначної кількості вільної глюкози.

Описание: C:\Users\admin\Desktop\мат_практ_3010\03. Специфічні шляхи катаболізму вуглеводів..files\image007.jpg

Перетравлення вуглеводів у шлунку зупиняється, оскільки в шлунковому соку немає глікозидаз, а амілаза слини поступово інактивується при низьких значеннях рН. Далі розщеплення відновлюється у дванадцятипалій кишці, куди надходить альфа-амілаза підшлункової залози, яка також гідролізує альфа-1,4-глікозидні зв'язки. Фермент оліго-1,6-глікозидаза (альфа-декс­триназа) гідролізує альфа-1,6-глікозидні зв'язки, які знаходяться у точках розгалуження глікогену й амілопектинової фракції крохмалю. Завершується процес травлення вуглеводів на мукозній поверхні клітин кишечника під дією дисахаридаз.

http://www.youtube.com/watch?v=KED6BHVM97s&feature=related

 

Ці ферменти синтезуються в епітеліальних клітинах слизової оболонки і функціонують зв'язаними із зовнішньою (люмінальною) стороною мембран клітин. Мальтаза (альфа-глюкозидаза) гідролізує мальтозу до двох молекул глюкози, лактаза (бета-галактозидаза) – лактозу до глюкози і галактози, сахараза – сахарозу до глюкози і фруктози.

 

Описание: C:\Users\admin\Desktop\мат_практ_3010\03. Специфічні шляхи катаболізму вуглеводів..files\image008.jpg

У клінічній практиці зустрічаються спадкові недостатність чи дефект лактази і дуже рідко – сахарази і альфа-декстринази. В результаті дефекту лактази розвивається непереносимість лактози молока. Частина непере­травленої лактози піддається бродінню під дією ферментів мікроорганізмів кишечної флори, що обумовлює діарею і утворення газів. Генетичний дефект лактази у дітей зустрічається рідко. Але у дорослих людей непереносимість лактози досить поширена (у 80 % осіб африканського і азіатського походження і у 15 % європейців). Оскільки ці люди споживають молоко у грудному віці і ранньому дитинстві без ознак непереносимості лактози, генетичний дефект властивий, вірогідно, не гену лактази, а гену якогось білка, що бере участь у регуляції синтезу лактази. Виключення лактози із їжі приводить до зникнення симптомів хвороби. При деяких кишечних інфекціях може розвиватись тимчасова непереносимість лактози.

Описание: Описание: Описание: Описание: Описание: Описание: Описание: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/7d/Glycolysis_feeder_pathways.svg/500px-Glycolysis_feeder_pathways.svg.png

Схема включення у підготовчу фазу гліколізу глікогену, крохмалю, дисахаридів та гексоз

 

Суміш моносахаридів (глюкози і меншої кількості фруктози та галактози) поглинається епітеліальними клітинами, які вистеляють тонкий кишечник. Перенесення їх через мембрану всередину клітин здійснюється шляхом активного транспорту Nа+-залежною системою (симпорт з Nа+). Ця система ефективно працює при низьких концентраці­ях глюкози чи галактози у просвіті кишечника, забезпечуючи вбирання їх проти градієнта концентрації.

 

Описание: C:\Users\admin\Desktop\мат_практ_3010\03. Специфічні шляхи катаболізму вуглеводів..files\image010.jpg

 

Описание: C:\Users\admin\Desktop\мат_практ_3010\03. Специфічні шляхи катаболізму вуглеводів..files\image011.jpg

Коли ж концентрація моносахаридів у просвіті кишечника більша за концентрацію у клітинах, всмоктування йде шляхом пасивного транспорту – полегшеною дифузією. Із клітин епітелію моносахариди надходять у кров, вірогідно, шляхом дифузії за градієнтом концентрації.

Глюкоза (виноградний цукор) широко поширена в природі: міститься в зелених частинах рослин, виноградному соку, насінні, фруктах, ягодах, меді. У чистому вигляді з їжею споживається близько 15-18 г глюкози. Це лише невелика частина глюкози, яка бере участь в метаболічних процесах організму. Глюкоза входить до складу сахарози, крохмалю, клітковина, з якої вона звільняється в процесі гідролізу в травному тракті. ЦНС - головний і спинний мозок - витрачають 140 г (близько 10 столових ложок), а еритроцити крові - близько 40 г глюкози в добу. Глюкоза є основною транспортною формою вуглеводів в організмі людини.

Організм людини строго регулює концентрацію глюкози в крові на рівні 100-120 мг/100 мл навіть в стані голоду, коли глюкоза крові поповнюється за рахунок гідролізу запасів глікогену або перетворення на глюкозу амінокислот. Після їди рівень глюкози в крові підвищується в порівнянні з рівнем натщесерце за рахунок вуглеводів їжі, а потім поступово знижується до початкового рівня, оскільки глюкоза використовується тканинами для отримання енергії або для запас вуглеводів у формі глікогену. Стан, при якому вміст глюкози в крові підвищується більше 160 мг/100 мл, називають гіперглікемією. Вона спостерігається при цукровому діабеті, коли порушується вироблення інсуліну острівцями підшлункової залози і тканини втрачають здатність утилізувати глюкозу з крові. В результаті глюкоза виділяється з сечею.

При зниженні концентрації глюкози в крові до 60 мг/100 мл і менш розвивається гіпоглікемія, що супроводжується відчуттям голоду і слабкості. Стан легкої, так званої реактивної гіпоглікемії переживає кожна людина через декілька годинників після їди.

Підвищення концентрації глюкози після прийому солодкої їжі викликає посилене вироблення гормону підшлункової залози інсуліну. Це супроводжується падінням рівня глюкози через деякий час навіть нижче початкового натщесерце, тобто розвивається гіпоглікемія.

Відновленою формою глюкози є спирт сорбіт, який знайдений в яблуках, грушах, персиках і деяких овочах. Він підтримує рівень глюкози в крові більш тривалий час, що зменшує вірогідність розвитку гіпоглікемії і ослабляє відчуття голоду. Проте сорбіт може викликати здуття живота і пронос, що перешкоджає його широкому використанню в живленні. Сорбіт знайшов застосування як подсластитель в жувальній гумці.

Фруктоза (фруктовий цукор, левулоза) у вільному стані міститься в меді, фруктах і ягодах, насінні, зелених частинах рослин. Входить до складу сахарози і високомолекулярного полісахариду інуліну. Фруктоза солодше цукру (сахарози) і знаходить застосування у виробництві напоїв і інших продуктів. У печінці фруктоза перетворюється на глюкозу, а це означає, що використання фруктози хворими діабетом також не може бути безмежним. Фруктоза у меншій мірі викликає розвиток карієсу, чим цукор. Використання фруктози в живленні обмежується економічними міркуваннями, за ціною вона дорожча, ніж цукор, а переваги перед цукром не так вагомі, щоб витіснити цукор.

Глюкоза і фруктоза мають велике значення в харчовій промисловості, будучи важливим солодким компонентом продуктів харчування і початковим матеріалом для процесів бродіння.

Галактоза входить до складу лактози - молочного цукру. Це єдиний моносахарид тваринного походження.

Пентози (п'ятивуглецеві моноцукри) - арабіноза, рибоза, ксилоза, представлені в природі головним чином як структурні компоненти складних полісахаридів (геміцеллюлоз, пектинових речовин), а також нуклеїнові кислоти і інші природні полімери.

 

НАДХОДЖЕННЯ ВУГЛЕВОДІВ У КЛІТИНИ

 

Описание: C:\Users\admin\Desktop\мат_практ_3010\03. Специфічні шляхи катаболізму вуглеводів..files\image012.jpg

 

http://www.youtube.com/watch?v=rTNHMHAUsNI

Всмоктуючись у кишечнику, глюкоза, фруктоза і галактоза надходять з кров'ю ворітної вени у печінку, де більша частина моносахаридів затримується і зазнає перетворень декількома шляхами. Менша частина глюкози через загальний кровообіг переноситься до інших органів і тканин. Встановлено, що після надходження вуглеводної їжі близько 55 % глюкози захоплюється печінкою, 15 % – інсулінозалежними клітинами жирової тканини і скелетних м'язів, 25 % – інсулінонезалежними тканинами (мозком, нервами, еритроцитами, мозковою частиною нирок тощо), 5 % – залишається в рідинах організму. Внутрішньоклітинна концентрація глюкози дуже низька, порівняно з концентрацією в плазмі крові, тому надходження її у клітини тканин здійснюється за градієнтом концентрації шляхом пасивного транспорту (процес стимулюється інсуліном) чи простої дифузії (в інсулінонезалежні тканини). У клітини печінки глюкоза надходить також шляхом дифузії, оскільки мембрана їх проникна для глюкози.

По суті, всі вуглеводи їжі всмоктуються у формі моносахаридів; тільки невеликі фракції всмоктуються у вигляді дисахаридів і майже не всмоктуються у формі великих вуглеводних сполук. Безсумнівно, кількість глюкози є найбільшим з всмоктуваних моносахаридів. Вважається, що вона при всмоктуванні забезпечує більше 80% всіх вуглеводних калорій. Це відбувається через те, що глюкоза є кінцевим продуктом перетравлення більшості вуглеводів їжі, крохмалю.

Решта 20% всмоктується моносахаридів складають галактоза і фруктоза; галактоза витягується з молока, а фруктоза є одним з моносахаридів, одержуваних при перетравленні тростинного цукру. Практично всі моносахариди всмоктуються активним транспортом. Спочатку обговоримо всмоктування глюкози.

Глюкоза переноситься натрієвих котранспортним механізмом. Глюкоза не може всмоктуватися при відсутності натрієвого транспорту через кишкову мембрану, оскільки всмоктування глюкози залежить від активного транспорту натрію.

У транспорті натрію через кишкову мембрану існують два етапи. Перший етап: активний транспорт іонів натрію через базолатеральную мембрану епітеліальних клітин кишечника в кров, відповідно знижує вміст натрію всередині епітеліальної клітини. Другий етап: це зниження призводить до входу натрію в цитоплазму з просвіту кишечника через щіткова облямівку епітеліальних клітин за допомогою полегшеної дифузії.

Таким чином, іон натрію об'єднується з транспортним білком, але останній не буде переносити натрій у внутрішню поверхню клітини до тих пір, поки сам білок не об'єднається з іншим відповідним речовиною, наприклад з глюкозою. На щастя, глюкоза в кишечнику одночасно об'єднується з тим же транспортним білком, і потім обидві молекули (іон натрію і глюкоза) переносяться всередину клітини. Таким чином, низька концентрація натрію всередині клітини буквально «проводить» натрій всередину клітини одночасно з глюкозою. Після того, як глюкоза виявиться всередині епітеліальної клітини, інші транспортні білки і ферменти забезпечують полегшену дифузію глюкози через клітинну мембрану базолатеральную в міжклітинний простір, а звідти - в кров.

Отже, первинно активний транспорт натрію на базолатеральних мембранах кишкових епітеліальних клітин служить головною причиною руху глюкози через мембрани.

Всмоктування інших моносахаридів. Галактоза переноситься майже тим же механізмом, що і глюкоза. Однак транспорт фруктози не пов'язаний з механізмом переносу натрію. Замість цього фруктоза переноситься на всьому шляху всмоктування завдяки полегшеної дифузії через кишковий епітелій.

Велика частина фруктози при вході в клітку стає фосфорильованій, потім перетворюється на глюкозу і до попадання в кров транспортується вже у формі глюкози. Фруктоза не залежить від транспорту натрію, тому гранична інтенсивність її транспорту складає тільки близько половини транспорту глюкози або галактози.

Плазматична мембрана непроникна для глюкози. Існують 2 шляхи її надходження в клітини: активний транспорт, здійснюваний за участю Na-залежної АТФ-ази, і полегшена дифузія, здійснювана спеціальними білками-переносниками, вбудованими в мембрану таким чином, що вони мають повідомлення і з зовнішньої і з внутрішньої її поверхнями (Котик А., Яначек К., 1980). Перший шлях безпосередньо з функціональною активністю інсуліну не пов’язаний, а для другого інсулін є індуктором, оскільки після його взаємодії з клітиною вступ у неї глюкози по цьому транспортному шляху підвищується за рахуно Білки-переносники (транспортери) глюкози

Встановлено, що інсулін-індуковані білки-переносники глюкози являють собою сімейство, що складається з декількох ізоформ, кодованих різними генами. До середини 90-х рр. було охарактеризовано 5 ізоформ білкової природи, які але хронологічним порядком опублікування їх структур отримали позначення GLUT1, GLUT2, …, GLUT5. Виявлена також одна псевдогенів форма, структура якої на 80% складається з нуклеотидної послідовності GLUT3. Дві будь-які ізоформи сімейства GLUT на 50-76% гомологічних між собою, але жодна з них не має гомології з переносниками системи активного транспорту, глюкози. Кожна з ізоформ є тканеспеціфічним білком, однак GLUT1, GLUT2 і GLUT3 одночасно співіснують в нирці, GLUT1 і GLUT3 співіснують крім нирки в плаценті і головному мозку, GLUT2 і GLUT5 – в тонкому кишечнику.

http://www.youtube.com/watch?v=ORRbUUfowA4&feature=related

Інсулін підвищує поглинання глюкози печінкою завдяки індукції синтезу печінкового ферменту глюкокінази.

Описание: C:\Users\admin\Desktop\мат_практ_3010\03. Специфічні шляхи катаболізму вуглеводів..files\image013.jpg

 

Глюкоза затримується у клітинах завдяки її фосфорилюванню до глюкозо-6-фосфату, в якому фосфатна група іонізована, несе негативний заряд. Оскільки клітинні мембрани звичайно непроникні для заряджених молекул, глюкозо-6-фосфат не може вийти із клітини. Фруктоза і галактоза також фосфорилюються у клітинах печінки, але накопичення фосфорильованих моносахаридів у клітинах призвело б до осмотичного надходження води, набухання клітин. Тому глюкозо-6-фосфат перетворюється в нерозчинний у воді полісахарид глікоген, який служить запасною формою вуглеводів в організмі тварин і людини або піддається катаболізму.

http://www.youtube.com/watch?v=O5eMW4b29rg&feature=related

 

Фосфорилюється глюкоза в реакції з АТФ, яку каталізує фермент гексокіназа:

Описание: C:\Users\admin\Desktop\мат_практ_3010\03. Специфічні шляхи катаболізму вуглеводів..files\image014.jpg

Ця реакція практично незворотна, що зумовлюється низькоенергетичною природою глюкозо-6-фосфату. В різних тканинах організму є декілька ізоферментних форм гексокінази, які близькі за своїми властивостями. А специфічна форма ферменту, яка називається глюкокіназою, є тільки в печінці, що має важливе значення при споживанні вуглеводної їжі. В табл. порівнюються властивості гексокінази і глюкокінази.

Таблиця.  Властивості гексокінази і глюкокінази

 

 

Гексокіназа

Глюкокіназа

Розподіл в організмі

Більшість тканин

Тільки печінка

Субстратна специфічність

D-глюкоза й інші D-гексози (фруктоза, маноза)

Тільки D-глюкоза

Константа Міхаеліса (Км) для глюкози

Низька (близько 10-5 моль/л)

Висока (10-2 моль/л)

Максимальна швидкість реакції

Низька

Висока

Гальмування активності продуктом реакції — глюкозо-6-фосфатом

Так

Ні

 

Гексокіназа має низьке значення Км, а тому високу спорідненість до глюкози. Це дозволяє їй фосфорилювати глюкозу при нормальній чи зниженій концентрації глюкози в крові. Але швидкість гексокіназної реакції низька, тому вона не може фосфорилювати велику кількість глюкози. Крім того, активність гексокінази гальмується продуктом реакції глюкозо-6-фосфатом, тому швидкість утворення глюкозо-6-фосфату залежить від швидкості його утилізації.

 

Глюкокіназа каталізує фосфорилювання тільки глюкози із максимальною швидкістю, що значно більша, ніж максимальна швидкість реакції за участю гексокінази. Але Км для глюкокінази значно вища, тому при концентрації глюкози в крові 3,33-5,55 ммоль/л активність глюкокінази печінки складає тільки 10-20 % від максимальної. Після надходження їжі, багатої вуглеводами, концентрація глюкози в крові ворітної вени підвищується (понад 10 ммоль/л), активність глюкокінази швидко зростає, що забезпечує фосфорилювання великих кількостей глюкози. До того ж глюкозо-6-фосфат не інгібує глюкокіназу. Таким чином, завдяки властивостям унікального ферменту глюкокінази печінка затримує більшу частину глюкози під час травлення й абсорбції, не допускаючи значного зростання рівня глюкози в крові. Гормон підшлункової залози інсулін підвищує активність та індукує синтез глюкокінази.

 

ГЛІКОЛІЗ

Описание: Описание: Описание: Описание: Описание: Описание: Описание: http://znaimo.com.ua/images/rubase_2_1695482562_75849.jpg

Гліколіз (шлях Ембдена-Мейергофа) — центральний шлях катаболізму глюкози, сукупність ферментативних реакцій, в результаті яких шестивуглецева молекула глюкози розщеплюється до двох тривуглецевих молекул піровиноградної або молочної кислоти. Гліколіз є шляхом катаболізму глюкози, в якому кисень не бере безпосередньої участі, проте, за рахунок наявності в гліколізі окислювально-відновлювальних реакцій, у результаті гліколітичного розщеплення глюкози генерується дві молекули АТФ. Гліколіз є різновидом бродіння — біохімічного процесу, за рахунок якого забезпечують свою потребу в енергії у  формі АТФ більшість існуючих на Землі анаеробних організмів або аеробів при функціонуванні в умовах недостатнього за-безпечення молекулярним киснем. Поширеним типом бродіння в анаеробів є  утворення з глюкози етилового спирту —процес, що каталізується ферментами дріжджів і широко використовується для виробництва алкогольних напоїв В організмі людини та тварин розрізняють:– аеробний гліколіз, що супроводжується утворенням з однієї молекули глюкози двох молекул піровиноградної кислоти (пірувату).

Аеробний гліколіз можна також розглядати як проміжний (гліколітичний) етап аеробного окислення  глюкози до кінцевих продуктів — двоокису вуглецю та  води;– анаеробний гліколіз, що супроводжується утворенням з однієї молекули глюкози двох молекул молочної кислоти (лактату).

Для більшості тканин людини та вищих тварин в умовах нормальної життєдіяльності характерний аеробний гліколіз, тобто утворення з глюкози пірувату, який у подальшому окислюється до вуглекислого газу й води. Анаеробний гліколіз має місце переважно в м’язах при інтенсивній фізичній діяльності, тобто при відносній кисневій недостатності, та в деяких високоспеціалізованих клітинах (зокрема, в еритроцитах, в яких відсутні мітохондрії) або за певних патологічних умов (клітини злоякісних пухлин).

Реакції гліколізу перебігають у цитозолі  клітини і каталізуються ферментами, що локалізовані в цьому компартменті.

Виділяють дві стадії гліколізу:

1. Розщеплення молекули глюкози до двох молекул фосфотріоз (гліцеральдегід-3-фосфату та діоксіацетонфосфату). Ця стадія включає в себе послідовність

реакцій, які потребують витрати двох молекул ATP на кожну молекулу глюкози, що розщеплюється.

2. Перетворення двох молекул фосфотріоз на дві молекули пірувату (або лактату). Ця стадія включає в себе окислювально-відновлювальні реакції (“гліколітична оксидоредукція”), які супроводжуються генерацією чотирьох молекул ATP. Таким чином, у результаті розщеплення однієї молекули глюкози в реакціях аеробного або анаеробного гліколізу сумарний вихід АTP складає дві молекули.

Катаболізм вуглеводів в організмі людини включає декілька метаболічних шляхів і забезпечує вивільнення енергії у формі АТФ, а також утворення сполук, необхідних для синтезу інших біологічно важливих речовин. Центральним шляхом катаболізму глюкози є гліколіз, в ході якого шестивуглецева молекула глюкози розпадається до кислот (піровино­градної чи молочної), що мають по 3 атоми вуглецю в молекулі. Процес може здійснюватись в анаеробних і аеробних умовах (рис.).

http://www.youtube.com/watch?v=nKgUBsC4Oyo&feature=related

 

   Описание: C:\Users\admin\Desktop\мат_практ_3010\03. Специфічні шляхи катаболізму вуглеводів..files\image016.jpg

Описание: C:\Users\admin\Desktop\мат_практ_3010\03. Специфічні шляхи катаболізму вуглеводів..files\image017.jpg

В організмі людини анаеробний гліколіз з утворенням молочної кислоти (лактату) забезпечує енергією скелетні м'язи при інтенсивній роботі, коли обмежене надходження кисню до мітохондрій. У клітинах, що не мають мітохондрій (зрілі еритроцити) чи із зниженою окиснювальною здатністю (сітківка ока, сім'яники, мозкова частина нирок, злоякісні пухлини), також відбувається гліколітичне розщеплення глюкози до молочної кислоти. Але в більшості тканин організму людини має місце повне аеробне розщеплення глюкози до СО2 і Н2О. Гліколіз з утворенням піровиноградної кислоти є першим етапом цього процесу, специфічним для вуглеводів, а за ним іде загальний шлях катаболізму (окиснювальне декарбоксилювання піровиноградної кислоти, цикл лимонної кислоти, мітохондріальний дихальний ланцюг). Тканини, адаптовані до роботи в аеробних умовах (наприклад, нервова тканина, серцевий м'яз), дуже чутливі до гіпоксії.

http://www.youtube.com/watch?v=uCmNQQWlrc0&feature=related

 

У багатьох мікроорганізмах, що ростуть в анаеробних умовах, утворення енергії також забезпечує гліколітичний розпад вуглеводних субстратів. При цьому кінцеві продукти бувають різними: молочна кислота (молочнокислі бактерії), етанол (пивні дріжджі), гліцерин, пропіонова і масляна кислоти та ін. Процеси такого типу часто називають бродінням. Молочнокисле бродіння ідентичне анаеробному гліколізу, що має місце в скелетних м'язах людини і тварин при напруженій роботі.

 

Реакції гліколізу

Перетворення глюкози в молочну кислоту складається з одинадцяти послідовних ферментативних реакцій і відбувається в цитоплазмі клітин. Майже для всіх ферментів гліколізу потрібні іони Mg2+ як активатори.

http://www.youtube.com/watch?v=mmACA_eVLTE&feature=relmfu

http://www.youtube.com/watch?v=6JGXayUyNVw&feature=related

1. У першій реакції молекула глюкози активується шляхом взаємодії з АТФ під дією гексокінази чи глюкокінази (рис.). Таким чином, катаболізм глюкози починається із використання АТФ. Властивості обох ферментів розглянуті вище. Реакція фосфорилювання глюкози незворотна та є однією з трьох регуляторних реакцій гліколізу.

2. Глюкозо-6-фосфат ізомеризується у фруктозо-6-фосфат під дією фосфоглюкоізомерази. Реакція зворотна.

3. Фруктозо-6-фосфат приєднує ще один фосфатний залишок від АТФ з утворенням фруктозо-1,6-дифосфату в незворотній реакції, яку каталізує фосфофруктокіназа – найбільш важливий регуляторний фермент гліколізу. Активатори фосфофруктокінази – АМФ і АДФ, інгібітори – АТФ і цитрат.

Описание: C:\Users\admin\Desktop\мат_практ_3010\03. Специфічні шляхи катаболізму вуглеводів..files\image018.jpg

4. Альдолаза каталізує розщеплення фруктозо-1,6-дифосфату на два тріозофосфати: гліцеральдегід-3-фосфат і діоксіацетонфосфат. Реакція зворотна.

5. Утворені тріозофосфати є ізомерами і під дією тріозофосфатізомерази можуть взаємоперетворюватись. У наступній реакції гліко­лізу використовується гліцеральдегід-3-фосфат і тому діоксіацетонфосфат для дальшого перетворення повинен перейти в гліцеральдегід-3-фосфат. Ці п'ять реакцій становлять перший, підготовчий етап гліколізу, коли молекула глюкози двічі фосфорилюється за рахунок АТФ. Таким чином, на активацію молекули глюкози і підготовку її до розщеплення на дві тріози витрачується дві молекули АТФ.

6. Другий етап гліколізу починається з окиснення гліцеральдегід-3-фосфату до 1,3-дифосфогліцеринової кислоти (1,3-дифосфогліцерату) (рис.).

Описание: C:\Users\admin\Desktop\мат_практ_3010\03. Специфічні шляхи катаболізму вуглеводів..files\image019.jpg

Цю окисно-відновну реакцію каталізує гліцеральдегід-3-фосфатдегідрогеназа з коферментом нікотинамідаденіндинуклеотидом (НАД+), який відновлюється. У реакції бере участь неорганічний фосфат. У ході окиснення альдегідної групи гліцеральдегід-3-фосфату в карбоксильну більша частина вільної енергії реакції утримується в ковалентному зв'язку карбоксилу з фосфатом (високоенергетичний, або макроергічний зв'язок). Оскільки в клітині обмежена кількість НАД+, відновлений НАД, який утворюється в цій реакції, для участі в гліколітичному розпаді нових молекул глюкози повинен перейти назад в окиснену форму (НАД+). В аеробних умовах НАД окиснюється у процесі роботи дихального ланцюга за рахунок молекулярного кисню, а в анаеробних умовах – в останній реакції гліколізу (перетворенні пірувату в лактат).

7. Фосфогліцераткіназа каталізує перенесення високоенергетичної фосфатної групи 1,3-дифосфогліцерату на АДФ і, таким чином, утворення АТФ. На відміну від синтезу АТФ шляхом окиснювального фосфорилювання (за рахунок енергії тканинного дихання), синтез АТФ, поєднаний із перетворенням високоенергетичного субстрату в продукт, називають субстратним фосфорилюванням. Фосфогліцераткіназна реакція ­зворотна.

8. Фосфогліцератмутаза каталізує зворотну реакцію перенесення фосфатної групи в молекулі 3-фосфогліцерату в положення 2.

9. Фермент енолаза каталізує дегідратацію 2-фосфогліцерату з утворенням фосфоенолпірувату. Відщеплення води викликає перерозподіл енергії в молекулі, утворення сполуки з високоенергетичним зв'язком. Реакція зворотна.

10. Високоенергетична фосфатна група фосфоенолпірувату переноситься на АДФ з утворенням АТФ і піровиноградної кислоти. Цю реакцію субстратного фосфорилювання каталізує піруваткіназа, третій регуляторний фермент гліколізу. Активує піруваткіназу фруктозо-1,6-дифосфат, який утворюється в третій реакції гліколізу. Інгібіторами служать АТФ, ацетил-КоА, амінокислота аланін, жирні кислоти з довгим ланцюгом. В умовах клітини піруваткіназна реакція практично незворотна.

Спадкова недостатність піруваткінази в еритроцитах зумовлює розвиток гемолітичної анемії. Як відзначалось раніше, зрілі еритроцити не мають мітохондрій і тому повністю залежать від синтезу АТФ під час гліколізу. Уроджений дефект піруваткінази викликає гальмування гліко­лізу і недостаток енергії в еритроцитах, що призводить до порушення цілісності мембран, деформації клітин та усунення їх із крові ретикуло-ендотеліальною системою.

11. В анаеробних умовах відновлений НАДН, який утворюється під час окиснення гліцеральдегід-3-фосфату (шоста реакція), переходить у НАД+ шляхом перетворення пірувату в лактат. Цю реакцію каталізує лактатдегідрогеназа. Обидві окисно-відновні реакції гліко­лізу (гліцеральдегід-3-фосфатдегідрогеназна і лактатдегідрогеназна) поєднані й утворюють внутрішньокомпенсовану систему:

Описание: C:\Users\admin\Desktop\мат_практ_3010\03. Специфічні шляхи катаболізму вуглеводів..files\image020.jpg

Лактатдегідрогеназна реакція зворотна, і положення рівноваги сильно зміщене в бік утворення молочної кислоти, яка є кінцевим продуктом анаеробного гліколізу. Але молочна кислота – це своєрідний глухий кут у метаболізмі, вона може перетворитись назад у піруват шляхом обернення лактатдегідрогеназної реакції, що здійснюється в аеробних умовах.

Тому молочна кислота, яка накопичується в скелетних м'язах під час напруженої роботи, потрапляє у кров і надходить у печінку, міокард і меншою мірою в інші тканини, де перетворюється в піруват. Останній у міокарді окиснюється до СО2 і Н2О, а в печінці частково окиснюється, а частково перетворюється в глюкозу. Відповідне спрямування лактатдегідрогеназної реакції (в скелетних м'язах – у сторону лактату; а в міокарді – у сторону пірувату) забезпечується вмістом ізоферментів ЛДГ у даних органах. Нагадаємо, що відомо 5 ізоферментів ЛДГ, які утворені різними комбінаціями субодиниць у тетрамерній молекулі ферменту. У скелетних м'язах міститься ізофермент М4 (ЛДГ5), активність якого не гальмується піруватом і є вищою, ніж активність ізоферменту серця Н4. Такі властивості ізоферменту корисні для скелетних м'язів, де при напруженій роботі різко посилюється анаеробний гліколіз. У серцевому м'язі переважає ізофермент Н4 (ЛДГ1), що проявляє більшу спорідненість із лактатом як субстрат, а також сильно гальмується піруватом. Це сприяє окисненню лактату в піруват, який відразу ж піддається окиснювальному перетворенню в мітохондріях. Визначення ізоферментів ЛДГ у крові використовується для діагностики захворювань.

http://www.youtube.com/watch?v=D2RFc1D_Iv0&feature=related

 

Енергетичний баланс гліколізу

АТФ використовується для фосфорилювання глюкози і фруктозо-6-фосфату, тобто затрачаються дві молекули АТФ на одну молекулу глюкози. Оскільки молекула глюкози розпадається на дві тріози, а перетворення однієї тріози в лактат дає 2 молекули АТФ, то утворюються 4 молекули АТФ. Таким чином, чистий вихід АТФ складає 4-2=2 молекули на одну молекулу глюкози, перетворену в лактат.

Сумарне рівняння процесу таке:

Описание: C:\Users\admin\Desktop\мат_практ_3010\03. Специфічні шляхи катаболізму вуглеводів..files\image021.jpg

Описание: C:\Users\admin\Desktop\мат_практ_3010\03. Специфічні шляхи катаболізму вуглеводів..files\image022.jpg

Різниця у вільній енергії для глюкози і молочної кислоти становить приблизно 210 кДж/моль. У двох молях АТФ нагромаджується 70‑100 кДж, тому загальна ефективність анаеробного гліколізу складає 35-45 % (у клітині при фізіологічній концентрації глюкози, лактату, АТФ, АДФ і Фн – приблизно 60 %). При гліколізі виділяється приблизно 7 % усієї енергії, яка може вивільнятись при повному окисненні глюкози до СО2 і Н2О (2880 кДж/моль). Основна частина вільної енергії зберігається в продукті гліколізу – молочній кислоті.

Енергетичний баланс аеробного розпаду глюкози

Для з'ясування кількості АТФ, яка синтезується при повному окисненні глюкози до СО2 і Н2О, необхідно сумувати вихід АТФ у кожній стадії процесу:

1) гліколізу в аеробних умовах;

2) окиснювального декарбоксилювання пірувату;

3) циклу лимонної кислоти;

4) дихального ланцюга.

При гліколітичному розпаді однієї молекули глюкози в аеробних умовах утворюються 2 молекули піровиноградної кислоти, 2 АТФ і 2 НАДН:

С6Н12О6 + 2 АДФ + 2 Фн + 2 НАД3Н4О3 + 2 АТФ + 2 НАДН + Н+

Окиснювальне декарбоксилювання двох молекул пірувату дає 2 ацетил-КоА і 2 НАДН:

2 × (піруват + НАД+ + КоА-SН ацетил-КоА +  СО2 + НАДН + Н+).

При окисненні 1 молекули ацетил-КоА, як розглянуто вище, утво­рюється 12 молекул АТФ. Окиснення в дихальному ланцюгу молекул НАДН, які утворюються при гліколізі й окиснювальному декарбокси-люванні пірувату, дає по З АТФ на 1 НАДН. Сумуємо:

АТФ

1молекула глюкози                                        2 молекули пірувату +2 НАДН  2+2•3=8

2молекули пірувату                                       2 ацетил-КоА + 2СО2 + 2 НАДН  2•3=6

2 ацетил-КоА                                                  4СО2 + 4 Н2О      2•12=24

С6Н12О6 + 6 О2                                                                  *► 6 СО2 + 6 Н2О       38 молекул АТФ

Сумарний вихід АТФ у результаті повного окиснення 1 молекули глюкози складає 38 молекул (або 38 моль на 1 моль глюкози). Із 38 молекул чотири синтезуються шляхом субстратного фосфорилювання (2 — в гліколізі й 2 — в циклі лимонної кислоти) і 34 — в ході окиснювального фосфорилювання, поєднаного з перенесенням електронів по дихальному ланцюгу.

Проте в такому розрахунку не прийнято до уваги, що гліколіз відбувається в цитоплазмі, а тканинне дихання з окиснювальним фосфорилюванням — у мітохондріях. Мембрана мітохондрій непроникна для НАДН, утвореного під час гліколітичного окиснення гліцеральдегід-3-фосфату в цитоплазмі. Тому для передачі водню з цитоплазматичних НАДН на дихальний ланцюг внутрішньої мембрани мітохондрій існують особливі системи, які називаються човниковими. Механізм їх дії такий: цитоплазматичний НАДН відновлює якусь речовину, її віднов­лена форма переноситься через мембрану в матрикс мітохондрій, де окиснюється НАД- чи ФАД-залежним ферментом і повертається в цитоплазму. Відновлений НАДН чи ФАДН віддає електрони і протони на дихальний ланцюг внутрішньої мітохондріальної мембрани.

У клітинах печінки, міокарда і нирок функціонує малат-аспартат-на човникова система, яка забезпечує утворення 3 молекул АТФ на одну молекулу цитоплазматичного НАДН. У скелетних м'язах і клітинах мозку перенос водню з цитоплазматичного НАДН здійснює гліцеролфосфатна човникова система. У цьому випадку мітохондріальна гліцерол-3-фосфатдегідрогеназа є флавіновим ферментом, який передає 2 атоми водню на убіхінон, тому утворюються не 3 молекули АТФ, а 2. Таким чином, у скелетних м'язах і мозку окиснення 2 молекул цитоплазматичного НАДН дає 4 молекули АТФ. Отже, сумарний вихід АТФ із молекули глюкози складає 36 молекул.

При повному окисненні глюкози вивільняється 2880 кДж/моль енергії. Враховуючи, що вільна енергія утворення АТФ у фізіологічних умовах клітини дорівнює приблизно 50 кДж/моль, ефективність акумуляції енергії в макроергічних зв'язках АТФ при окисненні глюкози ñòàíîâèòü: 38×50×100 : 2880 = 65 %.

 

Регуляція гліколізу

Швидкість гліколізу визначається доступністю субстратів і енергетичним станом клітини. Субстрат (залишки глюкози) постачає гексокіназна реакція, яка включає вільну глюкозу, і фосфорилазна реакція розпаду глікогену. Активність гексокінази гальмується продуктом реакції – глюкозо-6-фосфатом. Активність фосфорилази стимулюють гормональні агенти– адреналін і глюкагон, а також АМФ та іони Са2+. У стресових ситуаціях адреналін різко підвищує розпад глікогену в скелетних м'язах до молочної кислоти.

Важливими регуляторними пунктами гліколізу є незворотні реакції, що каталізуються фосфофруктокіназою і піруваткіназою (рис.).

 

Описание: C:\Users\admin\Desktop\мат_практ_3010\03. Специфічні шляхи катаболізму вуглеводів..files\image023.jpg

 

Регуляція гексокінази

Гексокіназа інгібується продуктом реакції - глюкозо-6-фосфатом, який аллостеріческім зв'язується з ферментом, змінюючи його активність. Через те, що основна маса Г-6-Ф в клітці здійснюється шляхом розщеплення глікогену, гексокіназну реакція, по суті, для протікання гліколізу не є необхідною, і фосфорилювання глюкози в регуляції гліколізу виняткової важливості не має. Гексокіназну реакція є важливим етапом регуляції концентрації глюкози в крові і в клітці.При фосфорилювання глюкоза втрачає здатність транспортуватися через мембрану молекулами-переносниками, що створює умови для накопичення її в клітці. Інгібування гексокінази Г-6-Ф обмежує надходження глюкози в клітину, запобігаючи її надмірне накопичення. Глюкокіназа (IV ізотипи гексокінази) печінки не інгібується глюкозо-6-фосфатом, і клітини печінки продовжують накопичувати глюкозу навіть при високому вмісті Г-6-Ф, з якого надалі синтезується глікоген. У порівнянні з іншими изотипам глюкокіназа відрізняється високим значенням константи Міхаеліса, тобто на повну потужність фермент працює тільки в умовах високої концентрації глюкози, яка буває майже завжди після прийому їжі.

Глюкозо-6-фосфат може перетворюватися назад в глюкозу при дії глюкозо-6-фосфатази. Ферменти глюкокіназа і глюкозо-6-фосфатаза беруть участь у підтримці нормальної концентрації глюкози в крові.

Регуляція фосфофруктокінази

Описание: Описание: Описание: Описание: Описание: Описание: Описание: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/5e/PFK-1_uk.jpg/220px-PFK-1_uk.jpg

Стрічкова діаграма ферменту фосфофруктокінази-1. Показані дві із чотирьох ідентичних субодиниць. Кожна субодиниця має активний сайт, у якому поруч розміщені продукти (АДФ і фрутозо-1,6-бісфосфат), та алосеричний сайт, у якому зв'язаний активатор АДФ

  

Інтенсивність протікання фосфофруктокіназной реакції вирішальним чином позначається на всій пропускної здатності гліколізу, а стимуляція фосфофруктокінази вважається найбільш важливим етапом регуляції.

Фосфофруктокінази (ФФК) - це тетрамерной фермент, який існує по черзі у двох конформаційних станах (R і T), які знаходяться в рівновазі і поперемінно переходять з одного в інше. АТФ є одночасно і субстратом, і аллостеріческім інгібітором ФФК.

У кожній з субодиниць ФФК є по два центри зв'язування АТФ: субстратний сайт і сайт інгібування. Субстратний сайт однаково здатний приєднувати АТФ при будь конформації тетрамера. У той час як сайт інгібування пов'язує АТФ виключно, коли фермент знаходиться в конформаційних станів T. Іншим субстратом ФФК є фруктозо-6-фосфат, який приєднується до ферменту переважно в R-стані. При високій концентрації АТФ сайт інгібування займається, переходи між конформації ферменту стають неможливими, і більшість молекул ферменту виявляються стабілізованими в T-стані, нездатну приєднати Ф-6-Ф. Однак інгібування фосфофруктокінази АТФ пригнічується АМФ, який приєднується до R-конформація ферменту, стабілізуючи таким чином стан ферменту для зв'язування Ф-6-Ф.

Найбільш важливим же аллостерічним регулятором гліколізу і глюконеогенезу є фруктозо-2 ,6-біфосфат, який не є посередником цих циклів. Фруктозо-2,6-біфосфат аллостерично активує фосфофруктокіназу.

Синтез фруктозо-2 ,6-біфосфата каталізується особливим біфункціональним ферментом - фосфофруктокиназої-2/фруктозо-2,6-біфосфатазой (ФФК-2/Ф-2 ,6-БФаза). В нефосфорілірован формі білок відомий як фосфофруктокінази-2 і має каталітичну активність по відношенню до фруктозо-6-фосфату, синтезуючи фруктозо-2-6-біфосфат. В результаті чого значно стимулюється активність ФФК і сильно пригнічується активність фруктозо-1,6-біфосфатази. Тобто за умови активності ФФК-2 рівновагу цієї реакції між гликолизом і глюконеогенез зміщується в бік першого - синтезується фруктозо-1 ,6-біфосфат.

В фосфорильованому вигляді біфункціональних фермент не має кіназной активністю, а навпаки в його молекулі активується сайт, який гідролізує Ф2, 6БФ на Ф6Ф і неорганічний фосфат. Метаболічний ефект фосфорилювання біфункціонального ферменту полягає в тому, що аллостерічеськая стимуляція ФФК припиняється, аллостерічеськіє інгібування Ф-1 ,6-БФази ліквідується і рівновага зміщується в бік глюконеогенезу. Продукується Ф6Ф і потім - глюкоза.

Взаємоперетворення біфункціонального ферменту здійснюються цАМФ-залежної протеїнкінази (ПК), яка в свою чергу регулюється циркулюючими в крові пептидними гормонами.

Коли в крові знижується концентрація глюкози, гальмується також і освіта інсуліну, а виділення глюкагону навпаки стимулюється, і його концентрація в крові різко підвищується. Глюкагон (та інші контрінсулярних гормони) зв'язуються з рецепторами плазматичної мембрани клітин печінки, викликаючи активацію мембранної аденілатциклази. Аденилатциклаза каталізує перетворення АТФ в циклічний АМФ. цАМФ зв'язується з регуляторною субодиницею протеїнкінази, викликаючи вивільнення і активізацію її каталітичних субодиниць, які фосфорилювання ряд ферментів, включаючи і біфункціональних ФФК-2/Ф-2 ,6-БФазу. При цьому в печінці припиняється споживання глюкози і активізуються глюконеогенез і глікогеноліз, відновлюючи нормогликемию.

Наступним кроком, де здійснюється регуляція гліколізу, є остання реакція - етап дії піруваткінази. Для піруваткінази також описаний ряд ізоферментів, що мають особливості регуляції.

Печінкова піруваткіназа (L-тип) регулюється при фосфорилювання, аллстеричними ефекторами і шляхом регуляції експресії генів. Фермент інгібується АТФ іацетил-КоА і активується фруктозо-1,6-біфосфатом. Інгібування піруваткінази АТФ відбувається подібно до дії АТФ на ФФК. Зв'язування АТФ з сайтом інгібування ферменту зменшує його спорідненість до фосфоенолпірувату. Печінкова піруваткіназа фосфорилюється і інгібується протеїнкіназою, і таким чином також знаходиться під гормональним контролем. Крім того, активність печінкової піруваткінази регулюється і кількісно, тобто зміною рівня його синтезу. Це повільна, довготривала регуляція. Збільшення в раціоні вуглеводів стимулює експресію генів, що кодують піруваткінази, в результаті рівень ферменту в клітині підвищується.

М-тип піруваткінази, знайдений в головному мозку, м'язах та інших глюкозо-потрібних тканинах не регулюється протеїнкінази. Це принципово в тому, що метаболізм цих тканин визначається тільки внутрішніми потребами і не залежить від рівня глюкози в крові.

М'язова піруваткіназа не схильна зовнішнім впливам, таким як зниження рівня глюкози в крові або викид гормонів. Позаклітинні умови, які призводять до фосфорилювання і інгібування печінкового ізоферменту, не змінюють активність піруваткінази М-типу. Тобто інтенсивність гліколізу в поперечносмугастій мускулатурі визначається тільки умовами всередині клітини і не залежить від загальної регуляції.

У таблиці наведені активатори й інгібітори регуляторних ферментів гліколізу.

Таблиця  Активатори й інгібітори регуляторних ферментів гліколізу

Фермент

Активатори

Інгібітори

Гексокіназа

АДФ

АТФ, глюкозо-6-фосфат

Фосфофруктокіназа

АМФДФ

АТФ, цитрат, жирні кислоти

Піруваткіназа

Глюкозо-6-фосфат, фруктозо -1,6-дифосфат

АТФ, ацетил-КоА, аланін, жирні кислоти

 

Більшість їх проявляють алостеричний тип регуляції. Розглянемо регуляцію гліколізу внутрішньоклітинною концентрацією АТФ, АДФ і АМФ, тобто енергетичним зарядом. Якщо в клітині високий рівень АТФ і відповідно низький рівень АДФ і АМФ, то активність регуляторних ферментів низька і гліколіз загальмований. Використання енергії в клітині, наприклад при активному м'язовому скороченні, висока концентрація АДФ і АМФ та низька АТФ посилюють активність гексокінази і фосфофруктокінази. У результаті їх дії зростає концентрація глюкозо-6-фосфату і фруктозо-1,6-дифосфату, які служать активаторами піруваткінази, тобто за принципом прямого позитивного зв'язку забезпечують зростання швидкості власного катаболізму. Таким чином, при низьких запасах енергії в клітині гліколіз ефективно включається, а при високих – виключається.

Гліколіз також гальмується, коли в клітині є достатня кількість вищих жирних кислот, амінокислот чи цитрату й ацетил-КоА. Ці сполуки самі служать паливом для циклу лимонної кислоти і тканинного дихання, забезпечуючи клітину енергією.

І нарешті, гліколіз сповільнюється або зупиняється за наявності кисню. Це явище називається ефектом Пастера і полягає в переході від анаеробного гліколізу чи бродіння до більш ефективного способу продукції енергії – тканинного дихання з окиснювальним фосфорилюванням, що дає змогу обмежити надмірне витрачання глюкози.

Спиртове бродіння

Описание: Описание: Описание: Описание: Описание: Описание: Описание: Файл:Mthomebrew must.JPG

Послідовність реакцій спиртового бродіння така ж, як і послідовність реакцій гліколізу до утворення піровиноградної кислоти. Клітини дріжджів не мають ферменту, аналогічного ЛДГ молочнокислих бактерій чи м'язової тканини тварин, і тому відновлення пірувату до лактату в них замінено перетворенням пірувату в етанол. Спочатку піруват декарбоксилюється під дією піруватдекарбоксилази в ацетальдегід:

Описание: C:\Users\admin\Desktop\мат_практ_3010\03. Специфічні шляхи катаболізму вуглеводів..files\image026.jpg

Кофермент піруватдекарбоксилази – тіаміндифосфат. У наступній реакції ацетальдегід відновлюється до етанолу за рахунок НАДН, який утворюється під час окиснення гліцеральдегід-3-фосфату. Реакцію ката­лізує алкогольдегідрогеназа:

Описание: C:\Users\admin\Desktop\мат_практ_3010\03. Специфічні шляхи катаболізму вуглеводів..files\image027.jpg

Сумарне рівняння спиртового бродіння таке:

Описание: C:\Users\admin\Desktop\мат_практ_3010\03. Специфічні шляхи катаболізму вуглеводів..files\image028.jpg

В організмі людини спиртове бродіння відбувається в порожнині кишечника під дією ферментів дріжджоподібних організмів. За добу в кишечнику людини синтезується приблизно 1,5 г етанолу.

http://www.youtube.com/watch?v=V5YGuRnUXnA

 

КАТАБОЛІЗМ ФРУКТОЗИ І ГАЛАКТОЗИ

 

Шляхом гліколізу розщеплюється не тільки глюкоза, а й інші моносахариди – фруктоза, галактоза, маноза. У першій реакції моносахариди фосфорилюються через взаємодію з АТФ, а далі по-різному перетворюються в проміжні продукти гліколізу.

Фосфорилювання фруктози каталізують два ферменти – гексокіназа і фруктокіназа. Неспецифічна гексокіназа, яка діє на більшість гексоз, перетворює фруктозу у фруктозо-6-фосфат:

Описание: C:\Users\admin\Desktop\мат_практ_3010\03. Специфічні шляхи катаболізму вуглеводів..files\image029.jpg

Гексокіназа має низьку спорідненість із фруктозою, тому цим шляхом фосфорилюється незначна її кількість.

Фермент печінки фруктокіназа каталізує фосфорилювання фруктози за першим атомом вуглецю:

Описание: C:\Users\admin\Desktop\мат_практ_3010\03. Специфічні шляхи катаболізму вуглеводів..files\image030.jpg

Фруктозо-1-фосфат, на відміну від фруктозо-6-фосфату, не перетворюється у фруктозо-1,6-дифосфат, а відразу розщеплюється на 2 тріози – діоксіацетонфосфат і гліцеральдегід. Реакцію каталізує альдолаза фруктозо-1-фосфату. Гліцеральдегід фосфорилюється при взаємодії з АТФ під дією тріозокінази і таким чином обидві тріози переходять на шлях гліколізу. Оскільки перетворення фруктози в тріози здійснюється без участі двох регуляторних реакцій гліколізу (гексокіназної і фосфофруктокіназної), які обмежують швидкість процесу, катаболізм фруктози відбувається значно швидше, ніж глюкози.

 

Відомі два спадкові порушення обміну фруктози – есенціальна фруктозурія і непереносимість фруктози (рис. ).

 

Описание: C:\Users\admin\Desktop\мат_практ_3010\03. Специфічні шляхи катаболізму вуглеводів..files\image031.jpg

 

 У першому випадку зростає її вміст у крові й сечі. Така фруктозурія не супроводжується патологічними ознаками і важливого клінічного значення не має. У другому випадку генетичний дефект альдолази фруктозо-1-фосфату зумовлює суттєві порушення обміну вуглеводів, гіпоглікемію, ураження печінки. При споживанні фруктози накопичується фруктозо-1-фосфат, який гальмує активність глікогенфосфорилази, ряду ферментів гліколізу і глюконеогенезу. Хвороба звичайно виявляється під час переходу від грудного годування дітей до їжі, що містить цукор, коли спостерігаються напади блювання і судоми після їди. При непереносимості фруктози необхідно різко обмежити її споживання.

Галактоза включається в процес гліколізу складнішим шляхом – з участю чотирьох ферментів (рис.).

Описание: C:\Users\admin\Desktop\мат_практ_3010\03. Специфічні шляхи катаболізму вуглеводів..files\image032.jpg

 

 

Специфічна галактокіназа каталізує фосфорилювання галактози в галактозо-1-фосфат:

Описание: C:\Users\admin\Desktop\мат_практ_3010\03. Специфічні шляхи катаболізму вуглеводів..files\image033.jpg

У наступній реакції бере участь УДФ-глюкоза, яка також використовується для синтезу глікогену. Фермент печінки галактозо-1-фосфат-уридилтрансфераза каталізує обмінну реакцію між галактозо-1-фосфатом і УДФ-глюкозою. Далі залишок галактози в УДФ-галактозі під дією УДФ глюкоза-епімерази переходить у залишок глюкози (реакція епімеризації біля 4-го атому вуглецю). УДФ-глюкоза може знову взаємодіяти з галактозо-1-фосфатом або переходити в глюкозо-1-фосфат чи йти на синтез глікогену. УДФ-галактоза використовується як донор галактози для реакцій синтезу лактози (в молочній залозі), глікопротеїнів і гліколіпідів, протеогліканів.

При спадковій галактоземії відсутня галактозо-1-фосфат-уридилтрансфераза, що зумовлює накопичення в крові й тканинах галактозо-1-фосфату, вільної галактози і спирту дульциту – продукту відновлення галактози. Високий їх вміст діє токсично, в немовлят після споживання молока відзначаються блювання і пронос. Швидко збільшується печінка, погіршується зір із-за катаракти, затримується розумовий розвиток. Раннє виявлення захворювання і вилучення галактози (лактози молока) з їжі дозволяють не допустити появи клінічних симптомів і забезпечити нормальний розвиток дитини.

Недостатність дисахаридаз

Існує група спадкових ензимопатій, що пов’язані з недостатністю синтезу івиділення в кишковий сік ферментів, які гідролізують дисахариди. Ці ферментні дефекти проявляються порушеннями у перетравленні та всмоктуванні відповідних цукрів.

Недостатність лактази

Спадковий дефіцит ферменту призводить до неспроможності кишкового соку розщеплювати молочний цукор, і позначається як непереносимість лактози. У відносно рідкісних випадках патологія (спадкова відсутність лактази) в умовах харчування материнським молоком клінічно проявляється вже в перші дні життя новонародженого. Проте, в більшості випадків ензимопатія зустрічається у вигляді низької активності лактази. Ця форма непереносимості лактози успадковується як автономна рецесивна патологія  і вперше проявляється в підлітковому періоді або у молодому віці. Розповсюдженість недостатності лактази широко варіює в різних расових групах, особливо часто зустрічаючись у жителів східних країн та кольорового населення Північної Америки. Так, зокрема частота патології у датчан становить 3 %, а в тайців — 97 %. 

Недостатність сахарази звичайно виявляється разом із недостатністю ізомальтази у вигляді сполученого дефекту — непереносимості двох дисахаридів. Ферментопатія проявляється після переводу новонароджених намішане харчування з додаванням фруктових соків та інших продуктів, що містять рослинні цукри. Клінічно недостаність дисахаридаз проявляється симптомами вуглеводної диспепсії — діареєю, метеоризмом; новонароджені діти відстають у розвитку

 

РЕГУЛЯЦІЯ РІВНЯ ГЛЮКОЗИ В КРОВІ

 

У нормі через декілька годин після іди концентрація глюкози в крові людини складає 3,33-5,55 ммоль/л. При споживанні вуглеводної їжі вона зростає до 8-9 ммоль/л, а через 2 год повертається до норми. Голодування протягом декількох діб майже не відбивається на рівні глюкози в крові.

Постійність концентрації глюкози дуже важлива з огляду на високу вірогідність порушення функцій головного мозку при гіпоглікемії. Це зумовлюється рядом обставин:

енергетичні потреби головного мозку забезпечуються тільки глюкозою (лише на пізній стадії голодування — кетоновими тілами);

запаси глікогену в головному мозку дуже незначні;

шляхом глюконеогенезу глюкоза в клітинах мозку не синтезується;

глюкоза надходить із крові в клітини головного мозку шляхом незалежної від інсуліну дифузії за градієнтом концентрації, при гіпоглікемії надходження стає недостатнім для нормального функціонування мозку. Швидкий розвиток гіперглікемї також може зумовити порушення функцій мозку.

 

Описание: C:\Users\admin\Desktop\мат_практ_3010\03. Специфічні шляхи катаболізму вуглеводів..files\image034.jpg

 

Концентрація глюкози в крові залежить від рівноваги між надходженням її в кров і споживанням тканинами. Оскільки виведення глюкози з організму з сечею в нормі дуже незначне, то підтримка сталості концентрації у відносно вузьких межах за значних коливань надходження з їжею забезпечується процесами обміну в тканинах. Система регуляторних механізмів включає гормони інсулін, глюкагон, адреналін, глюкокортикоїди, а також взаємодії між тканинами (печінкою, м'язами, мозком тощо).

Після споживання вуглеводної їжі підвищена концентрація глюкози в крові стимулює поглинання її тканинами. Швидкість надходження в клітини печінки, мязів, мозку й інших тканин прямо пропорційна концентрації глюкози в позаклітинній рідині. Крім того, висока концен­трація глюкози в циркулюючій крові стимулює секрецію В-клітинами підшлункової залози інсуліну, який підвищує проникність глюкози через клітинні мембрани скелетних м'язів, жирової тканини.

Підвищена концентрація глюкози в крові внаслідок споживання вуглеводної їжі (аліментарна гіперглікемія) і внаслідок стресу (емоційна гіперглікемія) швидко знижується до норми. Стійка гіперглікемія може розвинутись при цукровому діабеті, який виникає в результаті абсолютної чи відносної недостатності інсуліну. Інші причини гіперглікемії — надлишкова секреція гормону росту, глюкокортикоїдів, іноді ураження ЦНС, порушення мозкового кровообігу, захворювання печінки, підшлункової залози.

Гіперглікемію при цукровому діабеті можна розглядати як корисне пристосування, яке сприяє використанню глюкози клітинами мозку, міо­карда, еритроцитами, тобто інсулінонезалежними тканинами. Однак у скелетні м'язи, печінку та інші інсулінозалежні тканини глюкоза не надходить. При високій концентрації глюкози в крові підвищується швидкість зв'язування її з білками (глікозилювання білків), що зумовлює порушення їх функцій, тому тривала гіперглікемія викликає ряд віддалених ускладнень цукрового діабету.

При діагностиці цукрового діабету кров для аналізу краще брати після голодування протягом хоча б 10 год Концентрація глюкози в плазмі крові, взятої натщесерце, вища за 8 ммоль/л, свідчить про вірогідність цукрового діабету. Якщо концентрація глюкози знаходиться в межах 6-8 ммоль/л, то досліджують кров після цукрового навантаження (дають випити 75 г глюкози, розчиненої у воді). Концентрація через 2 год після навантаження 10 ммоль/л і вище вказує на цукровий діабет, а концентрація від 8 до 10 ммоль/л — на знижену толерантність до глюкози. У частини осіб із порушеною толерантністю до глюкози можливий розвиток діабету.

У хворих на цукровий діабет глюкоза може виділятись із сечею, зокрема після споживання їжі, при тяжких формах хвороби і під час голодування. Саме глюкозурія послужила основою для назви захворювання. У сечі здорових людей концентрація глюкози дуже низька, менша 0,8 ммоль/л (150 мг/л), оскільки клітини проксимальних відділів ниркових канальців майже повністю реабсорбують глюкозу з первинної сечі. Такий низький рівень глюкози в сечі виявляється лише високочутливими методами. Коли концентрація глюкози в плазмі крові й клубочковому фільтраті перевищує 10 ммоль/л, реабсорбційна здатність ниркових канальців стає недостатньою і певна кількість глюкози виділяється із сечею. Гіперглікемічна глюкозурія спостерігається не тільки при цукровому діабеті, а й при всіх захворюваннях, які супроводжуються рівнем гіперглікемії, вищим за нирковий поріг. Але в ряді випадків глюкозурія не розвивається, хоч вміст глюкози в плазмі крові перевищує нирковий поріг. Це спостерігається тоді, коли об'єм клубочкового фільтрату малий, загальна кількість глюкози, що надходить у ниркові канальці, низька і повністю реабсорбується.

Глюкозурія може бути і за нормальної чи дещо підвищеної концентрації глюкози в плазмі крові, якщо виникає дефект мембрано-транспортного механізму в канальцях (ниркова глюкозурія). У даному випадку нирковий поріг знижений. Ниркова глюкозурія спостерігається іноді при вагітності, спадковій недостатності проксимальних відділів ниркових канальців, дії на клітини проксимальних канальців токсичних речовин (важких металів, органічних розчинників тощо)

 

Гіпоглікемія виникає при таких патологічних станах:

·  надмірно високому вмісті інсуліну внаслідок пухлин чи гіперплазії клітин острівців підшлункової залози;

·  гіпофункції надниркових залоз;

·  гіпофункції гіпофіза;

·  багатьох типах злоякісних пухлин, локалізованих поза підшлунковою залозою;

·  тяжких ураженнях печінки, нервової системи, шлунка і кишечника;у ранньому дитячому віці при спадкових порушеннях обміну вуглеводів — галактоземії, непереносимості фруктози, деяких типах глікогенозів.

Крім того, гіпоглікемію можуть спричиняти деякі ліки, споживання значної кількості алкоголю. Найпоширенішими в клінічній практиці є гіпоглікемії, викликані надмірним введенням інсуліну хворим на цукровий діабет, а також прийомом ряду інших лікарських середників. Гіпоглікемію, зумовлену надмірним введенням інсуліну чи високою продукцією ендогенного інсуліну, діагностують шляхом визначення вмісту інсуліну. Симптоми гіпоглікемії розвиваються, коли концентрація глюкози в плазмі крові стає нижчою 2,5 ммоль/л (45 мг/дл). Спостерігаються запаморочення, корчі та інші неврологічні порушення аж до гіпоглікемічної коми. Прояви посилюються при значному фізичному навантаженні чи при тривалих перервах між споживанням їжі.

 

ПЕНТОЗОФОСФАТНИЙ ШЛЯХ (ПФШ) ОКИСНЕННЯ ГЛЮКОЗИ

Основний шлях катаболізму глюкози в організмі людини і тварин – це поєднання гліколізу і циклу лимонної кислоти. Проте існують другорядні шляхи, які виконують специфічні функції. Один із них (пентозофосфатний) включає перетворення глюкозо-6-фосфату в пентозофосфати і СО2 і таким чином забезпечує клітини рибозо-5-фосфатом для синтезу нуклеотидів і нуклеїнових кислот. Крім того, ПФШ постачає відновлену форму НАДФН, необхідну для реакцій відновлення під час синтезу жирних кислот і стероїдних сполук, для мікросомального окиснення. ПФШ складається з окисної і неокисної стадій (рис. ). Усі реакції відбуваються в цитоплазмі клітин.

Описание: C:\Users\admin\Desktop\мат_практ_3010\03. Специфічні шляхи катаболізму вуглеводів..files\image035.jpg

У першій реакції окисної стадії глюкозо-6-фосфат окиснюється НАДФ+-залежною глюкозо-6-фосфатдегідрогеназою з утворенням НАДФН і 6-фосфоглюконолактону. Останній гідролізується лактоназою до 6-фосфоглюконової кислоти. Тому ПФШ називають також фосфоглюконатним. Далі фосфоглюконатдегідрогеназа каталізує одночасне дегідру­вання і декарбоксилювання 6-фосфоглюконату. Перший атом вуглецю гексозофосфату звільняється у вигляді СО2. Утворюються пентоза (рибулозо-5-фосфат) і друга молекула НАДФ. Ці три реакції окисної стадії незворотні.

Неокисна стадія ПФШ включає зворотні реакції ізомеризації пентоз і переходу їх у фруктозо-6-фосфат (рис. 24). Перетворення здійснюються через проміжні сполуки – гептозу (седогептулозо-7-фосфат), тетрозу (еритрозо-4-фосфат), тріозу (гліцеральдегід-3-фосфат) – під дією ферментів транскетолази і трансальдолази, які каталізують реакції перенесення, відповідно дво- і тривуглецевого фрагмента з одного вуглеводу на інший. Коферментом транскетолази є тіаміндифосфат. Утворений фруктозо-6-фосфат перетворюється в глюкозо-6-фосфат або розпадається шляхом гліколізу. Таким чином, ПФШ може переходити в гліколітичний. Так здійснюється утилізація пентоз, утворених в окисній стадії ПФШ, і рибозо-5-фосфату, утвореного при розпаді нуклеїнових кислот.

Реакції неокисної стадії ПФШ перебігають і у зворотньому напрямку. Завдяки цьому пентози можуть синтезуватись із глюкози не через окисну стадію ПФШ, а із проміжних продуктів гліколізу – фруктозо-6-фосфату і гліцеральдегід-3-фосфату. Сумарний перехід п'яти молекул фруктозо-6-фосфату дасть шість молекул рибозо-5-фосфату. Такий напрямок реакцій неокисної стадії ПФШ має місце в тканинах, в яких потреба в пентозах більша, ніж потреба в НАДФН.

На відміну від гліколізу і циклу лимонної лимонної кислоти, ПФШ може функціонувати в різних тканинах в декількох варіантах. Вибір напрямку і варіанту ПФШ визначається наявністю субстратів і потребою клітини в продуктах.

1. При потребі в НАДФН і рибозо-5-фосфаті ПФШ може закінчуватись утворенням пентози, і сумарне рівняння буде таким:

Описание: C:\Users\admin\Desktop\мат_практ_3010\03. Специфічні шляхи катаболізму вуглеводів..files\image036.jpg

2. Коли потреба в НАДФН більша, ніж потреба в пентозах, окисна стадія доповнюється переходом пентоз у глюкозо-6-фосфат, який знову окиснюється до пентоз. Із сумарним процесом краще ознайомитись, розглядаючи 6 молекул глюкозо-6-фосфату:

Описание: C:\Users\admin\Desktop\мат_практ_3010\03. Специфічні шляхи катаболізму вуглеводів..files\image037.jpg

Звернемо увагу, що всі молекули СО2 утворюються із різних молекул глюкозо-6-фосфату.

Значною потребою в НАДФН відрізняються жирова тканина, молочна залоза в період лактації, печінка (для синтезу жирних кислот), кора надниркових залоз і сім'яники (для синтезу стероїдних гормонів), еритроцити (для відновлення окисненого глутатіону). Тому в цих тканинах велика частина глюкози окиснюється пентозофосфатним шляхом.

3. Коли потреба в рибозо-5-фосфаті для синтезу нуклеотидів значно більша, ніж потреба в НАДФН, то відбувається його утворення з фруктозо-6-фосфату реакціями неокисної стадії ПФШ. Величини відносних вкладів окисного і неокисного шляхів утворення пентоз у тканинах організму вивчені недостатньо.

4. Рибозо-5-фосфат, що виникає при розпаді нуклеотидів і нуклеїнових кислот, через реакції неокисної стадії ПФШ включається в гліколіз та аеробний розпад і, таким чином, може служити джерелом енергії.

Регуляторний фермент ПФШ – глюкозо-6-фосфатдегідрогеназа. Активність його гальмується продуктом реакції – НАДФН. Таким чином, інтенсивність ПФШ залежить від швидкості використання НАДФН у реакціях анаболізму і контролюється відношенням у клітині НАДФ+/НАДФН.

Для глюкозо-6-фосфатдегідрогенази еритроцитів відкрита велика кількість варіантів (приблизно 80), які відрізняються за каталітичною активністю, спорідненістю із субстратами, чутливістю до температури, рН, інгібіторів, електрофоретичною рухомістю. Активність ферменту може бути зниженою різною мірою, аж до нульової. Наявність у людини варіанту глюкозо-6-фосфатдегідрогенази з активністю, близькою до нуля, проявляється клінічно гемолітичною анемією.

При вираженій недостатності ферменту (активність нижча 10 %) анемія розвивається лише під впливом деяких лікарських середників (протималярійних, сульфаніламідних та ін.). У людей із менш вираженою недостатністю ферменту клінічні прояви, як правило, відсутні. Механізм розвитку гемолітичної анемії при цій спадковій патології полягає в наступному. В еритроцитах НАДФ переводить окиснений глутатіон у відновлений. Останній попереджує пероксидне окиснення ліпідів мембран, захищає від окиснення SH-групи білків, підтримує відновлений стан заліза в гемоглобіні. Знижена продукція НАДФН внаслідок вираженої недостатності глюкозо-6-фосфатдегідрогенази зумовлює зниження рівня в еритроцитах відновленого глутатіону і, як наслідок, гемоліз еритроцитів.

 

Фізіологічне значення пентозофосфатного шляху

Пентозофосфатний  шлях  окислення глюкози має важливе  фізіологічне значення для функціонування інших анаболічних (біосинтетичних) механізмів, а саме:

1) за рахунок функціонування пентозофосфатного шляху метаболізму глю-кози в організмі утворюється приблизно половина пулу НАДФН (решта — в  результаті дії НАДФ-залежних ізоцитратдегідрогенази та малатдегідрогенази), що використовується у відновлювальних синтезах жирних кислот та стероїдів;

2) пентозо-фосфатний шлях є постачальником рибозо-5-фосфату, якийвикористовується для утворення нуклеотидів нуклеїнових кислот ДНК та РНК, коферментних біомолекул НАД (НАДФ), ФАД, АТФ, КоА, циклічних нуклеотидів 3',5'-АМФта 3',5'-ГМФ; У зв’язку із зазначеними біохімічними функціями, реакції пентозофосфатного шляху найбільш активно перебігають у тканинах із вираженим анаболізмом, у клітинах яких найбільш інтенсивно відбуваються синтези ліпідів, вільних нуклеотидів та нуклеїнових кислот — у жировій тканині, печінці, молочній залозі в період лактації, корі надниркових залоз, сім’яниках. У тканинах з переважанням окислювального метаболізму, зокрема скелетних м’язах, реакції пентозофосфатного шляху перебігають на дуже низькому рівні. Оскільки при циклічному функціонуванні пентозофосфатного шляху основним продуктом усього процесу є саме генерація НАДФН, ПФШ має характер метаболічного циклу в адипоцитах жирової тканини, де головною його функцією є саме генерація відновлювальних еквівалентів для синтезу ліпідів (тобто існує переважання потреб в НАДФН над потребами в пентозо-фосфатах). У решті клітині з високим анаболічним потенціалом (де відбувається активний синтез як ліпідів, так і нуклеотидів) — тканини із збалансованими потребами в НАДФН та пентозофосфатах — пентозофосфатний шлях або закінчується на окислювальнійстадії, або переходить в гліколітичний шлях окислення глюкози на етапі утворення тріозофосфатів;

3) пентозофосфатний шлях активно функціонує в еритроцитах людини. Біологічне значення функціонування  ПФЦ у цих клітинах полягає в генерації НАДФН, що необхідний для протидії перекисному окисленню ненасичених жирних кислот фосфоліпідів еритроцитарних мембран, тобто для попередження гемоліз у еритроцитів. Спадкова недостатність глюкозо-6-фосфатдегідрогенази проявляється підвищеною схильністю еритроцитів хворих до гемолізу, особливо в разі прийомудеяких лікарських засобів (аспірину, сульфаніламідів, протималярійного препарату Примахіну). Такі ж порушення у пацієнтів із дефектом глюкозо-6-фосфатдегідрогенази спричиняє споживання бобів Vicia faba (“фавізм”) — захворювання, яким страждають мільйони населення в країнах Африки та Азії.