90212 (Обмен углеводов)

ОБМЕН УГЛЕВОДОВ

1.Классификация и биологическая роль углеводов

Углеводы составляют незначительную часть общего сухого веса тканей человеческого организма - не более 2%, в то время как на белки, например, приходится до 45% сухой массы тела. Тем не менее, углеводы выполняют в организме целый ряд жизненно важных функции, принимая участие в структурной и метаболической организации органов и тканей.

С химической точки зрения углеводы представляют собой многоатомные альдегидо- или кетоноспирты или их полимеры, причем мономерные единицы в полимерах соединены между собой гликозидными связями.

1.1. Классификация углеводов.

Углеводы делятся на три больших группы: моносахариды и их производные, олигосахариды и полисахариды.

1.1.1. Моносахариды в свою очередь делятся, во первых, по характеру карбонильной группы на альдозы и кетозы и, во-вторых,по числу атомов углерода в молекуле на триозы, тетрозы, пентозы и т.д. Обычно моносахариды имеют тривиальные названия: глюкоза, галактоза, рибоза, ксилоза и др. К этой же группе соединений относятся различные производные моносахаридов, важнейшими из них являются фосфорные эфиры моносахаридов [ глюкозо-6-фосфат, фруктозо-1,6-бисфосфат, рибозо-5-фосфат и др.], уроновые кислоты [галактуроновая, глюкуроновая, идуроновая и др.], аминосахара

[глюкозамин, галактозамин и др.], сульфатированные производные уроновых кислот, ацетилированные производные аминосахаров и др.Общее количество мономеров и их производных составляет несколько десятков соединений, что не уступает имеющемуся в организме количеству индивидуальных аминокислот.

1.1.2. Олигосахариды, представляющие 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 гомоолигосахариды, состоящие из одинаковых мономерных блоков [ мальтоза ] , и гетероолигосахариды - в их состав входят различные мономерные единицы [ лактоза ]. В большинстве своем олигосахариды встречаются в организме в качестве структурных компонентов более сложных молекул - гликолипидов или гликопротеидов. В свободном виде в организме человека могут быть обнаружены мальтоза, причем мальтоза является промежуточным продуктом расщепления гликогена, и лактоза, входящая в качестве резервного углевода в молоко кормящих женщин. Основную массу олигосахаридов в организме человека составляют гетероолигосахариды гликолипидов и гликопротеидов. Они имеют чрезвычайно разнообразную структуру, обусловленную как разнообразием входящих в них мономерных единиц, так и разнообразием вариантов гликозидных связей между мономерами в олигомере [a- и b-гликозидные связи; связи, соединяющие различные атомы углерода в соседних мономерных единицах: a - 1,4, a - 1,3, a - 1,6 и др. ].

1.1.3. Полисахариды, представляющие собой полимеры, построенные из моносахаридов или их производных, соединенных меж ду собой гликозидными связями, с числом мономерных единиц от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч. Эти полисахариды могут состоять из одинаковых мономерных единиц, т.е. являться гомополисахаридами, или же в их состав могут входить различные мономерные единицы - тогда мы имеем дело с гетерополисахаридами. Единственным гомополисахаридом в организме человека является гликоген, состоящий из остатков a-D - глюкозы. Более разнообразен набор гетерополисахаридов - в организме присутствуют гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты, кератансульфат, дерматансульфат, гепарансульфат и гепарин. Каждый из перечисленных гетерополисахаридов состоит из индивидуального набора мономерных единиц.Так основными мономерными единицами гиалуроновой кислоты являются глюкуроновая кислота и N-ацетилглюкозамин,тогда как в состав гепарина входят сульфатированный глюкозамин и сульфатированная идуроновая кислота.

1.2. Функции углеводов различных классов

Функции углеводов в организме разнообразны и, естественно, различны для разных классов соединений. Моносахариды и их производные выполняют, во-первых, энергетическую функцию: окислительное расщепление этих соединений дает организму 55-60 % необходимой ему энергии4. Во-вторых, 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. В третьих, моносахариды и их производные выполняют структурную функцию, являясь мономерными единицами дру гих, более сложных молекул, таких как полисахариды или нуклеотиды.

Главной функцией гетероолигосахаридов является структурная функция - 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 мыщцах - до 600 г.

Гетерополисахариды выполняют в организме структурную функцию - они входят в состав глизаминопротеогликанов; последние,наряду с структурными белками типа коллагена или эластина, формируют межклеточное вещество различных органов и тканей. Гликозаминопротеоггликановые 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 своеобразных 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.

2. Усвоение экзогенных углеводов

В обычных условиях основным источником углеводов для человека являются углеводы пищи. Суточная потребность в углеводах составляет примерно 400 г, причем крайне желательно. чтобы легко усвояемые углеводы [ глюкоза, сахароза, лактоза и пр.] составляли не более 25 % их общего количества в пищевом рационе. 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 олигоили полисахаридов.

Расщепление крахмала или гликогена пищи начинается уже в ротовой полости за счет воздействия на эти гомополисахариды 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 тон ком 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, а поступившая 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 неуглевод ный природы в ходе процессов, получивших название глюконеогенез.

3. 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 мМ/л или 80 - 100 мг/дл. Пул глюкозы, т.е. общее содержание свободной глюкозы в организме, составляет величину порядка 20 г. Из них 5 - 5,5 г содержится в крови, остальная глюкоза распределена в клетках и межклеточной жидкости. Из приведенных цифр следует, что концентрация глюкозы в клетках значительно ниже, чем в крови, что создает условия для поступления глюкозы из крови в клетки путем простой или облегченной диффузии.

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:

а/ поступление глюкозы из кишечника;

б/ образование глюкозы из других моносахаридов, например, из галактозы или фруктозы;

в/ распад резервного гликогена в печени / гликогенез /;

г/ синтез глюкозы из неуглеводных соединений,т.е. глюконеогенез.

Основные направления использования глюкозы из пула:

а/ окислительный распад глюкозы / аэробное окисление до СО2 и Н2О, анаэробное окисление до лактата и др./;

б/ синтез резервного гликогена;

в/ синтез липидов;

г/ синтез других моносахаридов или их производных;

д/ синтез заменимых аминокислот;

е/ 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 цитозоля в мембраны . Основная масса клеток различных органов и тканей является в этом контексте инсулинзависимыми, однако по крайней мере в клетках трех типов эффективность переноса глюкозы через их наружные мембраны не зависит от инсулина, это эритроциты, гепатоциты и клетки нервной ткани. Эти ткани получили название инсулиннезависимых тканей. но я еще раз хочу подчеркнуть, что речь идет лишь о независимости транспорта глюкозы в эти клетки от инсулина и ни о чем более. Так, доказано, что и клетки мозга и гепатоциты имеют в составе своих наружных мембран рецепторы для инсулина.

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

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 = - 5 ккал/моль ] и в условиях клетки является необратимой, а глюкозо-6-фосфат 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.

4. 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.