Тема №2: Обмен углеводов.
Цель: Дать представление о катаболических
и анаболических путях превращение углеводов
и биологической роли углеводов.
Основные вопросы
лекции:
1.Переваривание
углеводов в желудочно-кишечном
тракте, всасывание продуктов переваривания.
2.Общая схема
источников и путей расходования
глюкозы в организме
3.Катаболизм
глюкозы. Последовательность реакций
до образования пирувата как
специфический путь катаболизма
глюкозы. Челночные механизмы переноса
водорода из цитозоля в митохондрии.
4.Распространение и физиологическое
значение аэробного и анаэробного
распада глюкозы.
5.Биосинтез
глюкозы (глюконеогенез). Взаимосвязь
гликолиза и глюконеогенеза (глюкозо-лактатный
и глюкозо-аланиновый циклы).
6.Пентозофосфатный путь превращения
глюкозы. Распространение и физиологическое
значение.
7.Обмен гликогена,
физиологическое значение.
8.Роль гормонов
в регуляции углеводного обмена.
9.Гликогенозы
и агликогенозы. Некоторые частные
пути углеводного обмена: обмен
фруктозы и галактозы. Метаболизм
сахарозы, лактозы,
1
2
3
4
Всасывание моносахаридов
5
6
7
Аэробный дихотомический
путь катаболизма глюкозы
- Глюкоза в тканях организма человека и животных может разрушаться двумя путями - дихотомическим и апотомическим.
- Оба пути могут происходить в аэробных и анаэробных условиях. Конечным продуктом анаэробного дихотомического пути распада глюкозы является лактат (молочная кислота).
- Основной путь катаболизма глюкозы у аэробных организмов, к которым относится и человек, - это аэробный распад, конечным продутом которого является вода и углекислый газ.
- Разрушение глюкозы дихотомическим путем в аэробных условиях (аэробный гликолиз) до стадии образования пирувата - это специфические стадии катаболизма глюкозы, которые, в отличие от общих путей катаболизма, происходят в цитозоле.
- На этом этапе аэробного гликолиза происходят следующий цикл реакций:
8
9
10
Окисление пирувата
11
Окисление пирувата
- Далее две молекулы пирувата в митохондриях подвергаются окислительному декарбоксилированию.
- В этой реакции образуются две молекулы ацетил-КоА, выделяется две молекулы углекислого газа и восстанавливаются две молекулы НАД.
- Окисление двух молекул НАДН2 в дыхательной цепи митохондрий приводит в образованию воды и синтезу 6 молекул АТФ.
- Две молекулы ацетил-КоА вовлекаются далее в цикл трикарбоновых кислот Кребса, где разрушаются до воды и углекислого газа.
- Выделяемая энергия окисления двух молекул ацетил-КоА аккумулируется в 24 молекулах АТФ.
- Суммарный выход энергии при аэробном дихотомическом распаде одной молекулы глюкозы составляет 40 молекул АТФ, чистый выход - 38 молекул АТФ на 1 молекулу глюкозы.
- Конечными продуктами аэробного дихотомического пути распада глюкозы являются вода и углекислый газ.
12
Анаэробный дихотомический
распад глюкозы
- В организме человека и животных при недостаточном поступлении кислорода в клетки возможен, так называемый, анаэробный дихотомический путь катаболизма глюкозы (анаэробный гликолиз).
- В интенсивно работающих скелетных мышцах, когда мощность механизма доставки кислорода в клетки оказываются недостаточными,
- включаются анаэробные механизмы синтеза АТФ происходящие вне митохондрий и без участия митохондриальных ферментов.
- В эритроцитах, где вообще отсутствуют митохондрии, потребность в АТФ удовлетворяется только за счет анаэробного гликолиза.
- Интенсивный анаэробный гликолиз характерен и для опухолевых клеток.
13
Брожение и гликолитичекая
оксиредукция
- Анаэробные механизм дихотомического пути распада глюкозы имеет место и у некоторых бактерий. В таком случае, этот путь катаболизма глюкозы называют брожением.
- В зависимости от конечного метаболита различают молочнокислое брожение, спиртовое, масляно-кислое.
- Анаэробный гликолиз, как и молочнокислое брожение, завешается образованием молочной кислоты и идет в две стадии.
- На первой стадии глюкоза разрушается с образованием двух молекул глицеральдегида. Химизм этих реакций аналогичен реакциям аэробного гликолиза.
- На второй стадии идет окисление фосфоглицеральдегида в лактат (молочная кислота). Эта стадия получила название гликолитической оксиредукции.
- Последняя реакция гликолитической оксиредукции катализируется ферментом лактатдегидрогеназой (ЛГД4,5), имеющий пять изоформ (ЛДГ1-5).
- Этот фермент для восстановления пирувата в лактат использует НАДН2 образовавшийся в первой реакции гликолитической оксиредукции
14
15
16
Глюконеогенез
17
Глюконеогенез
18
Эффект Пастера
- Для того чтобы аэробные организмы могли покрыть свои энергетические потребности в анаэробных условиях, необходима очень большая скорость анаэробного гликолиза и большое количество глюкозы. При этом имеет место накопление молочной кислоты.
- При переходе в аэробные условия анаэробный гликолиз и накопление лактата прекращается, а скорость потребления глюкозы резко угнетается.
- Это явление носит название эффекта Пастера.
- Как оказалось, эффект Пастера является следствием существующих в клетке механизмов регуляции катаболизма глюкозы.
- Введение в организм разобщителей тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования приводит к нарушению эффекта Пастера.
- Нарушение эффекта Пастера имеет место и в опухолевых клетках.
19
Пентозофосфатный путь
катаболизма глюкозы
- Этот путь катаболизма широко представлен в различных тканях человека и животных (печень, надпочечники, лимфотические узлы, эритроциты, жировая ткань и др.).
- Ключевым ферментом апотомического пути является глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, впервые обнаруженная О.Варбургом в эритроцитах.
- В этом пути катаболизма образуются различные фосфопентозы как промежуточные метаболиты и поэтому его называют пентозофосфатным циклом.
- Путь прямого окисления глюкозо-6-монофосфата в основном протекает в цитозоле без участия кислорода:
- 6(глюкозо-6-фосфат)+12НАДФ+7НОН
- 5(глюкозо-6-фосфат)+6СО2+12НАДФН2+Н3РО4
- В аэробных условиях процесс продолжается с участием ферментов дыхательной цепи митохондрий:
- 12 НАДФН2 + 6 (О2)
12 НАДФ + 12 НОН + ΔG(36АТФ)
20
Биологическая роль
пентозного цикла
- Биологическая роль пентозного цикла состоит в следующем:
- 1. В этом пути при окислении одной молекулы глюкозо-6-фосфата образуется 12 НАДФН2, которые используются клетками для синтеза жирных кислот, стероидных гормонов, для обезвреживания ядов и др.
- 2. В этом процессе синтезируются различные пентозы, в том числе рибоза, необходимая для построения молекул нуклеотидов и нуклеиновых кислот.
- 3. В аэробных условиях, при переносе протонов и электронов с цитозольных 12 молекул НАДФН2 в митохондрии на ферменты дыхательной цепи, возможен синтез 36 молекул АТФ в реакциях окислительного фосфорилирования.
21
Фазы пентозного
цикла
- Пентозный цикл катаболизма глюкозы идет в две фазы:
- Первая фаза - окисление шести молекул глюкозо-6-фосфата и образование 12 молекул НАДФН2, шести молекул углекислого газа и шести молекул различных фосфопентоз.
- Вторая фаза - превращения фосфопентоз (рибулозо-5 фосфат, рибозо-5 фосфат, ксилулозо-5-фосфат) в транскетолазных реакций, с образованием в итоге пяти молекул фруктозо-6-монофосфата и превращение их в глюкозо-6-монофосфат.
-
22
23
далее:
24
6(глюкозо-6-фосфат)+12НАДФ+7НОН
5(глюкозо-6-фосфат)+6СО2+12НАДФН2+Н3РО4
25
Пентозный путь оксиления
глюкозы
- Пентозофосфатный путь катаболизма углеводов активен прежде всего, в тех органах и тканях, в который требуется интенсивное использование НАДФН2 в реакциях восстановительных синтезов, использование рибозо-5-фосфата для синтеза нуклеотидов и нуклеиновых кислот.
- Поэтому высока активность этого пути в жировой ткани, печени, надпочечниках, половых железах, костном мозге, лимфоидной ткани и молочных железах.
- Относительно активен этот путь в эритроцитах и мало активен в мышечной ткани.
- Особое значение имеет пентозный цикл в растительных клетках, где основные реакции фотосинтеза по их механизму и фазности напоминают гексозомонофосфатный путь
26
Биосинтез гликогена
Фермент синтеза
гликогена гликогенсинтетаза "а"
(активная форма ), под воздействием
цАМФ-зависимой протеинкиназы переходит
в неактивную гликогенсинтетазу
"b".
- Донором глюкозных остатков для синтеза гликогена служит УДФ-глюкоза, которая образуется из УТФ и глюкозо-1-фосфата под воздействием фермента глюкозо-1-фосфат-уридилтрансферазы: