Обмен углеводов

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: