Биохимия и ее задачи

Основным местом переваривания крахмала служит тонкий кишечник. Здесь происходят наиболее важные стадии гидролиза крахмала. В двенадцатиперсной кишке, куда открывается проток поджелудочной железы, под действием ферментов ПЖЖ (a-амилазы, амило-1,6-гликозидазы и олиго-1,6-гликозидазы) будет идти гидролиз крахмала. Выделяющийся сок поджелудочной железы содержит бикарбонаты, которые участвуют в нейтрализации кислого желудочного содержимого. Образующийся при этом углекислый газ способствует перемешиванию пищевого комка, создаётся слабощелочная среда (рН=8-9). Образующиеся катионы натрия и калия способствуют активации панкреатических гидролаз (a-амилаза, амило-1,6-гликозидаза, олиго-1,6-гликозидаза). Эти ферменты завершают гидролитический разрыв внутри гликозидных связей, начатых a-амилазой слюны.

Эритродекстрины превращаются в ахродекстрины. Под  влиянием a-амилазы панкреатического сока завершается разрыв внутренних a-1,4-гликозидных связей в крахмале с образованием мальтозы. a-1,6-гликозидные связи в точках ветвления гидролизуются под действием амило-1,6-гликозидазы и олиго-1,6-гликозидазы, которая является терминальной (последней) в этом процессе.

Т.о. три панкреатических  фермента завершают гидролиз крахмала в кишечнике с образованием мальтоз. Из тех глюкозных остатков, которые в молекуле крахмала были соединены с помощью a-1,6-гликозидных связей, образовались дисахариды – изомальтозы.

Слизистая оболочка тонкой кишки (энтероциты) синтезирует  мальтазы (изомальтазы), лактазы и сахаразы. Образующиеся в результате гидролиза мальтоза, изомальтоза являются временным продуктом гидролиза, и в клетках кишечника они быстро гидролизуются под влиянием кишечных мальтазы, изомальтазы на две молекулы глюкозы. Т.о. в результате гидролиза крахмала в органах пищеварения образуется конечный продукт – глюкоза.

 

В составе  пищи кроме полисахаридов поступают  и дисахариды (лактоза и сахароза), которые подвергаются гидролизу  только в тонком кишечнике. В энтероцитах  синтезируются специфические ферменты: лактаза и сахараза, которые осуществляют гидролиз этих дисахаридов с образованием глюкоз, галактоз и фруктоз. Продукты полностью перевариваются. Углеводы - моносахариды всасываются в кровь и на этом завершается начальный этап обмена углеводов в организме человека - пищеварение.

 

Было установлено, что для всасывания моносахаридов (глюкозы) в кровь необходимо наличие  в энтероцитах:

- в цитоплазме - ионов  калия, натрия, АТФ и воды.

- в биомембранах - специфических  белков–переносчиков  и фермента - АТФ-азы.

90% образовавшейся в  результате гидролиза крахмала  глюкозы всасывается в кровь  и через систему воротной вены  поступает в печень, где депонируется  в виде резервного полисахарида - гликогена. Около 10% всасывающихся  в кровь моносахаридов попадает в большой круг кровообращения, разносится к органам и тканям, которые используют их в метаболических реакциях.

 

С пищей в организм человека поступает клетчатка – полисахарид, состоящий из остатков b-D- глюкопиранозы. В ЖКТ человека она гидролизу не подвергается, поскольку не вырабатываются b-гликозидазы, которые расщепляют её до глюкозы.

Биологическая роль клетчатки:

1. формирует пищевой  комок;

2. продвигаясь по ЖКТ  она раздражает слизистую оболочку, усиливая секрецию пищеварительных  желез;

3. усиливает перистальтику  кишечника;

4. нормализует кишечную  микрофлору.

Достигая толстого отдела кишки, она под действием ферментов  микрофлоры подвергается частичному сбраживанию  с образованием глюкозы, малата, газообразных веществ. Глюкозы образуется мало, но она всасывается в кровь.

 

Биологический синтез гликогена

Установлено, что гликоген образуется почти во всех клетках организма, однако наибольшее содержание гликогена обнаружено в  печени (2-6%) и в мышцах (0,5-2%). Т.к. общая  мышечная масса организма человека велика, то большая часть всего гликогена содержится в мышцах.

Глюкоза из крови легко  поступает в клетки организма  и в ткани, легко проникая через  биологические мембраны. Инсулин  обеспечивает проницаемость мембран, это единственный гормон, обеспечивающий транспорт глюкозы в клетки органов и тканей. Как только глюкоза поступает в клетку, она сразу же как бы запирается в ней. В результате первой метаболической реакции, катализируемой ферментом гексакиназой в присутствии АТФ, глюкоза превращается в фосфорный эфир – глюкозо-6-фосфат, для которого клеточная мембрана не проницаема. Глюкозо-6-фосфат теперь будет использоваться клеткой в метаболических реакциях (анаболизм, катаболизм). Из клетки глюкоза может обратно выйти в кровь только после гидролиза под действием фосфатазы (глюкозо-6-фосфатазы). Этот фермент есть в печени, почках, в эпителии кишечника, в других органах и тканях его нет, следовательно, проникновение глюкозы в клетки этих органов и тканей необратимо.

Процесс биосинтеза гликогена  можно записать в виде 4-х стадий:

глюкоза® (гексакиназа, АТФ®АДФ) глюкозо-6-фосфат® (фосфоглюкомутаза) глюкозо-1-фосфат® (глюкозо-1-фосфат-уридин трансфераза) УДФ-глюкоза® (гликоген-синтетаза, +[C₆Н₁₀О₅]_n) [C₆Н₁₀О₅]_n+1 (это наращенный гликоген) +УДФ

 

Затем УДФ+АТФ®(нуклеозиддифосфаткиназа) УТФ+АДФ. Т.о. на присоединение 1 молекулы глюкозы тратмтся 2 молекулы АТФ.

 

Гликогенсинтаза является трансферазой, которая переносит  остатки глюкозы, входящие в УДФ-глюкозу на гликозидную связь остаточного в клетке гликогена. При этом образуются a-1,4- гликозидные связи. Образование a-1,6-гликозидных связей в точках ветвления гликогена катализирует специальный фермент гликогенветвящий.

Гликоген в  клетках печени накапливается во время пищеварения, и рассматривается как резервная форма глюкозы, которая используется в промежутках между приёмами пищи.

 

Распад гликогена

Он может  идти двумя путями:

1. Основной  – фосфоролитический - протекает в печени, почках, эпителии кишечника.

Схематически  его можно записать в виде 3-х  стадий:

а) [C₆Н₁₀О₅]_n (это гликоген)® (фосфорилаза А, +Н₃РО₄) глюкозо-1-фосфат +[C₆Н₁₀О₅]_n-1

б) глюкозо-1-фосфат® (фосфоглюкомутаза) глюкозо-6-фосфат

в) глюкозо-6-фосфат® (глюкозо-6-фосфатаза, +Н₂О) глюкоза + Н₃РО₄

2. Не основной  – амилолитический. его доля мала и незначительна. Протекает в клетках печени при участии:

- a-амилазы слюны, расщепляющей a-1,4-гликозидные связи;

- амило-1,6-гликозидазы,  расщепляющей a-1,6-гликозидные связи в точках ветвления гликогена;

- g-амилазы, которая последовательно отрывает концевые остатки глюкозы от боковых цепей гликогена.

 

Гликогеновые болезни

Гликогеновые  болезни - наследственные нарушения обмена гликогена, которые связаны с недостаточностью какого–либо фермента, участвующего в синтезе или распаде гликогена. Как правило, эта недостаточность выражена в снижении активности или полном отсутствии фермента.

Различают гликогенозы – болезни, связанные с нарушением процесса распада гликогена. При этом клетки печени, мышц, почек накапливают большое количество гликогена, что ведет к разрушению клеток. У больных наблюдается увеличение печени, гипоглюкоземия натощак, мышечная слабость. Обычно такие больные умирают в раннем возрасте. Наиболее часто встречаются следующие гликогенозы:

- болезнь Герса,  связанная с недостаточной активностью  или отсутствием фосфорилазы  печени;

-  болезнь  Мак-Ардля, -//- фосфорилазы мышц;

- болезнь Помпе, -//- a-1,4-гликозидазы;

- болезнь Гори, -//- амило-1,6-гликозидазы;

- болезнь Гирке, -//- глюкозо-6-фосфатазы.

Агликогенозы – заболевания, которые характеризуются нарушением синтеза гликогена. У больных: гипогликемия натощак, судороги, рвота, потеря сознания, постоянное углеводное голодание мозга приводит к отставанию умственного развития. Больные погибают в раннем возрасте. Наиболее часто встречаются следующие агликогенозы:

- болезнь Льюиса, связанная с нарушением выработки  или полным отсутствием гликогенсинтазы;

- болезнь Андерсена, -//- гликогенветвящего фермента.

 

Пути катаболизма глюкозы

В зависимости от функционального состояния клеток органов и тканей, они могут находиться в условиях достаточного снабжения кислородом или испытывать его недостаток, находиться в условиях гипоксии.

Следовательно, катаболизм глюкозы в организме  можно рассматривать с двух позиций: в аэробных и анаэробных условиях.

Анаэробный путь распада глюкозы в тканях называется гликолизом, если в анаэробных условиях распадается глюкозный остаток гликогена, то этот процесс называется гликогенолизом. Оба эти процесса протекают в цитоплазме клеток. Конечным продуктом окисления будет являться молочная кислота. В процессе окисления будет выделяться энергия за счет реакций субстратного фосфорилирования. Основная биологическая роль – энергетическая. Окисление глюкозы и глюкозного остатка гликогена в тканях отличается только в начальных стадиях превращения, до образования глюкозо-6-фосфата. Схематически это можно представить как:

глюкоза® (гексакиназа, АТФ®АДФ) глюкозо-6-фосфат;

[C₆Н₁₀О₅]_n (это гликоген)® (фосфорилаза А, +Н₃РО₄) глюкозо-1-фосфат +[C₆Н₁₀О₅]_n-1

глюкозо-1-фосфат ® (фосфоглюкомутаза) глюкозо-6-фосфат

 

Основные  стадии гликолиза и гликогенолиза:

Процесс гликолиза сложный  и многоступенчатый. Условно его  можно разделить на 2 стадии.

1 стадия – завершается  образованием глицеральдегид-3-фосфата. 2 стадия – называется стадией гликолитической оксидоредукцией. Она сопряжена с образованием АТФ за счет реакций субстратного фосфорилирования, окислением глицеральдегид-3-фосфата и восстановлением пирувата в лактат.

1 стадия:

        гексакиназа      ↓     АТФ®АДФ

глюкозо-6-фосфатизомераза   ↓

фосфофруктокиназа      ↓     АТФ®АДФ

           альдолаза     ↓

Фосфодиоксиацетон под действием изомеразы может  превращаться в глицеральдегид-3-фосфат.

2 стадия. На  ней перед всеми формулами  ставим 2, т.к. фосфодиоксиацетон  изомеризовался и получилось 2 молекулы  глицеральдегид-3-фосфата:

дегидрогеназа, +Н₃РО₄    ↓     НАД®НАДН₂

дифосфоглицераткиназа     ↓        АДФ®АТФ

фосфоглицеромутаза    ↓

          енолаза             ↓

фосфоенолпируваткиназа  ↓     АДФ®АТФ

                            ЛДГ    ↓   НАДН₂®НАД

 

Т.о. анаэробные превращения глюкозы в тканях завершается образование молочной кислоты. В процессе превращения  глюкозы было израсходовано 2 молекулы АТФ для фосфорилирования глюкозы и фруктоза-6–фосфата (гексакиназная реакция и фосфофруктокиназная реакция).

С этапа образования  триоз (альдолазная реакция) идет одновременная  их окисление, в результате этих реакций  образуется энергия в виде АТФ  за счет реакций субстратного фосфорилирования (фосфоглицераткиназная и пируваткиназная реакции).

На этапе  гликолитической оксидоредукции идет окисление гицеральдегид-3-фосфата  в присутствии Н₃РО₄ и НАД-зависимой дегидрогеназы, которая при этом восстанавливается до НАДН₂.

Митохондрии в анаэробных условиях блокированы, поэтому выделяемый в процессе окисления  НАДН₂ находиться в среде до тех пор, пока не образуется субстрат, способный принять его. ПВК принимает НАДН₂ и восстанавливается с образованием лактата, завершая тем самым внутренний окислительно-восстановительный цикл гликолиза. НАД-окисленный выделяется и вновь может принимать участие в окислительном процессе, выполняя роль переносчика водорода.

 

Три реакции  гликолиза являются необратимыми:

- гексакиназная реакция;

- фосфофруктокиназная  реакция;

- пируваткиназная  реакция.

Энергетический  эффект гликолиза (гликогенолиза):

АТФ(глюкоза)=(2*2)–2=2

АТФ(гликоген)=(2*2)–1=3

 

Биологическая роль гликолиза – энергетическая. Гликолиз является единственным процессом в клетке, способным поставлять энергию в форме АТФ в бескислородных условиях. В кризисных ситуациях, когда клетки органов и тканей по каким то причинам находятся в анаэробных условиях, гликолиз является единственным источником скорой энергетической помощи для сохранения жизнедеятельности клеток, а в эритроцитах, где митохондрии отсутствуют, гликолиз вообще является единственным процессом, продуцирующим АТФ и поддерживающим их функции и целостность.