Углеводы: классификация, свойства, биологическая роль. Синтез и мобилизация гликогена в тканях

ТЕМА: ОБМЕН И ФУНКЦИИ УГЛЕВОДОВ

ЛЕКЦИЯ 1

План

1. классификация УВ

2. функции УВ различных классов

3. усвоение экзогенных УВ

4. пул глюкозы в организме, поступление глюкозы в клетки

5. синтез и расщепление (мобилизация) гликогена

6. регуляция процессов синтеза и расщепления

Углеводы составляют незначительную часть общего сухого веса тканей человеческого организма - не более 2%, тем не менее, они выполняют ряд жизненно важных функций, принимая участие в структурной и метаболической организации органов и тканей.

Углеводы с химической точки зрения представляют собой многоатомные альдегидо- или кетоноспирты, а также их полимеры, мономерные единицы которых соединены гликозидными связями.

КЛАССИФИКАЦИЯ УГЛЕВОДОВ.

Углеводы делятся на три больших группы:

Ø моносахариды и их производные;

Ø олигосахариды;

Ø полисахариды.

Моносахариды по характеру карбонильной группы делятся на альдозы и кетозы; по числу атомов углерода в молекуле - на триозы, тетрозы, пентозы и т.д. Моносахариды обычно имеют тривиальные названия: глюкоза, галактоза, рибоза, ксилоза и др

Важнейшими производными моносахаридов являются:

Ø их фосфорные эфиры (глюкозо-6-фосфат, фруктозо-1,6-бисфосфат, рибозо-5-фосфат и др.);

Ø уроновые кислоты (галактуроновая, глюкуроновая, идуроновая);

Ø сульфатированные производные уроновых кислот;

Ø аминосахара (глюкозамин, галактозамин и др.);

Ø ацетилированные производные аминосахаров и др.

Олигосахариды представляют собой полимеры, мономерными единицами которых являются моносахариды или их производные. Число отдельных мономерных блоков в полимере может достигать полутора или двух (не более) десятков. Все мономерные единицы в полимере связаны гликозидными связями.

Олигосахариды в свою очередь делятся на

Ø гомоолигосахариды, состоящие из одинаковых мономерных блоков (например, мальтоза - промежуточный продукт расщепления гликогена);

Ø гетероолигосахариды, в состав которых входят различные мономерные единицы (например, лактоза - входящая в качестве резервного углевода в молоко кормящих женщин).

В большинстве своем олигосахариды встречаются в организме в качестве структурных компонентов более сложных молекул — гликолипидов или гликопротеидов.

Полисахариды представляют собой полимеры, состоящие из моносахаридов или их производных, соединенных между собой гликозидными связями, с числом мономерных единиц от нескольких десятков до нескольких тысяч.

Выделяют гомополисахариды (состоят из одинаковых мономерных единиц) и гетерополисахариды (в их состав входят различные мономерные единицы).

Единственным гомополисахаридом в организме человека является гликоген, состоящий из остатков a-D-глюкозы.

Набор гетерополисахаридов более разнообразен это - гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты, кератансульфаты, дерматансульфаты, гепарансульфаты и гепарин. Так основными мономерными единицами гиалуроновой кислоты являются глюкуроновая кислота и N-ацетилглюкозамин, тогда как в состав гепарина входят сульфатированный глюкозамин и сульфатированная идуроновая кислота.

ФУНКЦИИ УГЛЕВОДОВ РАЗЛИЧНЫХ КЛАССОВ

Функции углеводов в организме разнообразны, и, естественно, различны для разных классов соединений.

Моносахариды и их производные выполняют:

Ø энергетическую функцию - окислительное расщепление этих соединений дает организму 55-60 % необходимой ему энергии;

Ø пластическую функцию — промежуточные продукты распада моносахаридов и их производных используются в клетках для синтеза других необходимых клетке веществ, в том числе соединений других классов. Так, из промежуточных продуктов метаболизма глюкозы в клетках могут синтезироваться липиды и заменимые аминокислоты, правда, в последнем случае необходим дополнительный источник атомов азота аминогрупп.

Ø структурную функцию, являясь мономерными единицами других, более сложных молекул, таких как полисахариды или нуклеотиды.

Главной функцией гетероолигосахаридов является структурная — они являются структурными компонентами гликопротеидов и гликолипидов.

В этом качестве гетероолигосахариды участвуют в реализации гликопротеидами целого ряда функций: регуляторной (гормоны гипофиза тиротропин и гонадотропины — гликопротеиды), коммуникативной (рецепторы клеток - гликопротеины), защитной (антитела — гликопротеины). Кроме того, гетероолигосахаридные блоки, входя в состав гликолипидов и гликопротеидов, участвуют в формировании клеточных мембран, образуя, например, такой важный элемент клеточной структуры как гликокалликс.

Гликоген — единственный гомополисахарид, имеющийся в организме животных - выполняет резервную функцию, причем он является резервом не только энергетическим, но также и резервом пластического материала.

Гликоген в том или ином количестве присутствует практически во все клетках человеческого организма. Запасы гликогена в печени могут составлять до 3-5 % от сырой массы этого органа (порой до 10 %), а его содержание в мышцах — до 1% общей массы ткани. Учитывая массу этих органов, общее количество гликогена в печени может составлять 150–200 г, а запасы гликогена в мышцах — до 600 г.

Гетерополисахариды выполняют в организме структурную функцию — они входят в состав гликозаминопротеогликанов; последние, наряду со структурными белками типа коллагена или эластина, формируют межклеточное вещество различных органов и тканей.

Гликозаминопротеогликановые агрегаты, имея сетчатую структуру, выполняют функцию молекулярных фильтров, препятствующих или сильно тормозящих движение макромолекул в межклеточной среде.

Кроме того, молекулы гетерополисахаридов имеют в своей структуре множество полярных и несущих отрицательный заряд группировок, за счет которых они могут связывать большое количество воды и катионов, выполняя роль свое образных депо для этих молекул.

Функции некоторых углеводов, имеющихся в организме, весьма специфичны. Так, гепарин является естественным антикоагулянтом — он препятствует свертыванию крови в сосудах, а лактоза, о чем уже упоминалось, является резервным углеводом женского молока.

УСВОЕНИЕ ЭКЗОГЕННЫХ УГЛЕВОДОВ

В обычных условиях основным источником углеводов для человека являются углеводы пищи. Суточная потребность в углеводах составляет примерно 400г.

В процессе усвоения пищи все экзогенные полимеры углеводной природы расщепляются до мономеров, что лишает эти полимеры видовой специфичности, а во внутреннюю среду организма из кишечника поступают лишь моносахариды и их производные; в дальнейшем эти мономеры используются по мере необходимости для синтеза специфичных для человека олиго- или полисахаридов.

Расщепление крахмала или гликогена пищи начинается уже в ротовой полости за счет воздействия амилазы и мальтазы слюны, однако этот процесс не имеет существенного значения, поскольку пища в ротовой полости находится очень короткое время.

В желудке при пищеварении среда кислая и амилаза слюны, попадающая в желудок вместе с пищевым комком, практически не работает.

Основная масса крахмала и гликогена пищи расщепляется в тонком кишечнике под действием амилазы поджелудочной железы до дисахаридов мальтозы и изомальтозы. Образовавшиеся дисахариды расщепляются до глюкозы при участии ферментов, секретируемых стенкой кишечника: мальтазы и изомальтазы. Мальтаза катализирует гидролиз a-1,4-гликозидных связей, а изомальтаза — гидролиз a-1,6-гликозидных связей.

Поступившая с пищей сахароза расщепляется в кишечнике до глюкозы и фруктозы при участии фермента сахаразы; лактоза — до глюкозы и галактозы под действием фермента лактазы. Оба этих фермента секретируются стенкой кишечника.

Процессы расщепления гетероолигосахаридов или гетерополисахаридов мало изучены. По-видимому, стенкой кишечника секретируются гликозидазы, способные расщеплять a- и b-гликозидные связи имеющиеся в этих полимерах.

Всасывание моносахаридов происходит в тонком кишечнике, причем скорости всасывания различных моносахаридов существенно различны. Если скорость всасывания глюкозы принять за 100, то скорость всасывания галактозы составит 110, фруктозы — 43, маннозы — 19, ксилозы — 15.

Принято считать, что всасывание глюкозы и галактозы идет с участием механизмов активного транспорта, всасывание фруктозы и рибозы - по механизму облегченной диффузии, а всасывание маннозы или ксилозы по механизму простой диффузии. Примерно 90 % всосавшейся глюкозы поступает из энтероцитов непосредственно в кровь, а 10 % ее оказывается в лимфе, впрочем, в дальнейшем и эта глюкоза также оказывается в крови.

Следует отметить, что углеводы могут быть полностью исключены из пищевого рациона. В этом случае все необходимые для организма углеводы будут синтезироваться в клетках из соединений неуглеводный природы в ходе процессов, получивших название глюконеогенез.

ПУЛ ГЛЮКОЗЫ В ОРГАНИЗМЕ, ПОСТУПЛЕНИЕ ГЛЮКОЗЫ В КЛЕТКИ

Преобладающим в количественном отношении моносахаридом, присутствующим во внутренней среде организма, является глюкоза. Ее содержание в крови относительно постоянно и является одной из констант гомеостаза. Содержание глюкозы в крови составляет 3,3–5,5 ммоль/л или 60–100 мг/дл.

Пул глюкозы - общее содержание свободной глюкозы в организме, составляет величину порядка 20г. Из них 5–5,5г содержится в крови, остальная глюкоза распределена в клетках и межклеточной жидкости.

Пул глюкозы в организме есть результат динамического равновесия процессов, обеспечивающих пополнение этого пула и процессов, сопровождающихся использованием глюкозы из пула для нужд органов тканей.

Пополнение пула глюкозы идет за счет следующих процессов:

Ø поступление глюкозы из кишечника;

Ø образование глюкозы из других моносахаридов, например, из галактозы или фруктозы;

Ø распад резервного гликогена в печени (глюкогенез);

Ø синтез глюкозы из неуглеводных соединений, т.е. глюконеогенез.

Основные направления использования глюкозы из пула:

Ø окислительный распад глюкозы (аэробное окисление до СО₂ и Н₂О, анаэробное окисление до лактата и др.);

Ø синтез резервного гликогена;

Ø синтез других моносахаридов или их производных;

Ø синтез липидов;

Ø синтез заменимых аминокислот;

Ø синтез других азотсодержащих соединений, необходимых клеткам.

Транспорт глюкозы из крови или межклеточной жидкости в клетки идет по механизму облегченной диффузии, т.е. по градиенту концентрации с участием белка-переносчика. Эффективность работы механизма этого транспорта в клетках большинства органов и тканей зависит от инсулина. Инсулин увеличивает проницаемость наружных клеточных мембран для глюкозы, увеличивая количество белка-переносчика за счет дополнительного его поступления из цистерн аппарата Гольджи.

Основная масса клеток различных органов и тканей является инсулинзависимыми. Транспорт глюкозы в эритроциты, гепатоциты и клетки нервной ткани независим от инсулина. Эти ткани получили название инсулиннезависимых тканей.

Глюкоза, поступившая в клетку, подвергается в клетке единственному превращению — она фосфорилируется с участием АТФ:

Глюкоза + АТФ —–® Глюкозо-6-фосфат + АДФ

В большинстве органов и тканей ферментом, катализирующим эту реакцию, является гексокиназа. Этот фермент обладает высоким сродством к глюкозе и способен ее фосфорилировать при низких концентрациях глюкозы.

В гепатоцитах есть еще один фермент — глюкокиназа, который также может катализировать эту реакцию, но обладая меньшим сродством к глюкозе, он работает лишь в условиях высоких концентраций глюкозы в клетке и обычно принимает участие лишь в процессе синтеза гликогена в печени.

Реакция, катализируемая гексокиназой, сопровождается большой потерей свободной энергии (DG = - 16,7 кДж/моль) и в условиях клетки является необратимой, а гл-6-ф представляет собой активированную форму глюкозы.

Существенным является то обстоятельство, что наружная клеточная мембрана непроницаема для гл-6-ф и в результате фосфорилирования глюкоза как бы “запирается” в клетке. С другой стороны, быстрое превращение глюкозы в гл-6-ф позволяет поддерживать крайне низкую концентрацию глюкозы в клетке, сохраняя тем самым градиент концентрации глюкозы между внеклеточной жидкостью и внутриклеточной средой.

СИНТЕЗ И РАСЩЕПЛЕНИЕ ГЛИКОГЕНА

При повышении концентрации глюкозы в крови, например, в результате ее всасывания в кишечнике при пищеварении, увеличивается поступление глюкозы в клетки и по крайней мере часть этой глюкозы может быть использована для синтеза гликогена.

Накопление резерва углеводов в клетках в виде гликогена имеет определенные преимущества перед накоплением глюкозы, так как не сопровождается повышением внутриклеточного осмотического давления. Вместе с тем, при недостатке глюкозы гликоген легко расщепляется до глюкозы или ее фосфорных эфиров, а образовавшиеся мономерные единицы используются клетками с энергетическими или пластическими целями.