2 курс / Биохимия / Лекции по общей биохимии

СТРОЕНИЕ И ОБМЕН УГЛЕВОДОВ

Углеводы являются наиболее распространенным классом органических соединений природы.

Ф У Н К Ц И И У Г Л Е В О Д О В

Резервно-энергетическая – глюкоза является моносахаридом, способным откладываться в виде крахмала (растительные клетки) или в виде гликогена (животные клетки). Большое преимущество углеводов (по сравнению с жирными кислотами) состоит в их способности окисляться как в аэробных, так и в анаэробных условиях (гликолиз),

Защитно-механическая – основное вещество трущихся поверхностей суставов, находятся в сосудах и слизистых оболочках (гиалуроновая кислота и другие гликозаминогликаны),

Опорно-структурная – целлюлоза в растениях, гликозаминогликаны в составе протеогликанов, например, хондроитинсульфат в соединительной ткани,

Гидроосмотическая и ионрегулирующая – гетерополисахариды обладают высокой гидрофильностью, отрицательным зарядом и, таким образом, удерживают Н2О, ионы Са2+, Mg2+, Na+ в межклеточном веществе, обеспечивают тургор кожи, упругость тканей,

Кофакторная – гепарин является кофактором липопротеинлипазы плазмы крови (участие в обмене липопротеинов) и фермента антикоагулянтной системы крови - антитромбина

III.

К Л А С С И Ф И К А Ц И Я

Согласно современной классификации углеводы подразделяются на три основные группы: моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

Моносахариды подразделяются на альдозы и кетозы в зависимости от наличия альдегидной или кетогруппы. Альдозы и кетозы, в свою очередь, разделяются в соответствии с числом атомов углерода в молекуле: триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и т.д.

Олигосахариды делятся по числу моносахаридов в молекуле: дисахариды, трисахариды и т.д.

Тетрозы

Пентозы

Гексозы

ПР О И З В О Д Н Ы Е М ОНОСАХАРИДОВ

Вприроде существуют многочисленные производные как перечисленных выше моносахаров, так и других. К ним, например, относятся:

Уроновые кислоты – дериваты гексоз, имеющие в 6 положении карбоксильные группы, например, глюкуроновая, галактуроновая, идуроновая, аскорбиновая кислоты.

Аминосахара – производные моносахаров, содержащие аминогруппы, например, глюкозамин или галактозамин. Эти производные обязательно входят в состав дисахаридных компонентов гетерополисахаридов. Ряд антибиотиков (эритромицин, карбомицин) со-

держат в своем составе аминосахара.

Сиаловые кислоты являются N- или O-ацил-произ– водными нейраминовой кислоты, которую можно рассматривать как производное глюкозы. Они, наряду с аминосахарами, входят в состав гликопротеинов и гликолипидов (ганглиозидов).

Гликозиды – соединения, образующиеся путем конденсации моносахарида (свободного или в составе полисахарида) с гидроксильной группой другого соединения, которым может быть любой моносахарид или вещество неуглеводной природы (агликон), например, метанол, глицерол, стерол, фенол.

Д И С А Х А Р И Д Ы

Дисахариды – это углеводы, которые при гидролизе дают две одинаковые или различные молекулы моносахарида.

Сахароза – пищевой сахар, в которой остатки α-глюкозы и β-фруктозы связаны α1,2-гликозидной связью. Присутствует в большинстве фруктов, в ягодах и в некоторых овощах, в наибольшем количестве содержится в сахарной свекле и сахарном тростнике, в моркови, ананасах, сорго.

Мальтоза – промежуточный продукт гидролиза крахмала и гликогена, в ней два остатка α-глюкозы связаны α1,4-гликозидной связью, содержится в солоде, проростках злаков.

Гликоген – резервный полисахарид животных, находится в цитоплазме многих типов клеток, но в наибольшей мере в гепатоцитах и миоцитах. Структурно он схож с амилопектином, но, во-первых, длина веточек меньше – 11-18 остатков глюкозы, и во-вторых, он более разветвлен – через каждые 8-10 остатков. За счет этих особенностей гликоген более компактно уложен, что немаловажно для животной клетки.

Целлюлоза состоит из остатков β-глюкозы, единственной связью в целлюлозе является β1,4-гликозидная связь. Она является наиболее распространенным органическим соединением биосферы, около половины всего углерода Земли находится в ее составе. В отличие от предыдущих полисахаридов целлюлоза является внеклеточной молекулой, имеет волокнистую структуру и абсолютно нерастворима в воде.

ГЕ Т Е Р О П О Л И С А Х А Р И Д Ы

Основными представителями гликозаминогликанов является гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты, кератансульфаты и дерматансульфаты, гепарин. Большинство из них характеризуется наличием повторяющихся дисахаридных остатков.

Гиалуроновая кислота состоит из повторяющихся дисахаридных звеньев: глюкуроновая кислота и N-ацетилглюкозамин, соединенные β1,3-гликозидной связью. Хондроитин-4- сульфат включает повторяющееся дисахаридное звено: глюкуроновая кислота и 4-сульфат- N-ацетилгалактозамин, соединенные β1,3-гликозидной связью.

Дисахариды включают в себя уроновую кислоту и аминосахар. Дублируясь, дисахариды образуют олиго- и полисахаридные цепи – гликаны. В биохимии используются синони-

мы – кислые гетерополисахариды (имеют много кислотных групп) и гликоз-

аминогликаны (производные глюкозы, содержат аминогруппы). Эти молекулы входят в состав протеогликанов (мукополисахаридов) – сложных белков, функцией которых является заполнение межклеточного пространства и удержание здесь воды, также они выступают как смазочный и структурный компонент суставов, хрящей, кожи. В частности, гиалуроновая кислота находится в стекловидном теле глаза, в синовиальной жидкости, в межклеточном пространстве.

Кроме полостного, имеется еще и пристеночное пищеварение, которое осуществляют: o сахаразо-изомальтазный комплекс (устаревшее название сахараза) – в тощей кишке гидролизует α1,2-, α1,4-, α1,6-гликозидные связи, расщепляет сахарозу, мальтозу маль-

тотриозу, изомальтозу,

o гликоамилазный комплекс – находится в нижних отделах тонкого кишечника и расщепляет α1,4-гликозидные связи в олигосахаридах,

o β-гликозидазный комплекс (устаревшее название лактаза) – гидролизует β1,4- гликозидные связи между галактозой и глюкозой (лактозу). У детей активность лактазы очень высока уже до рождения и сохраняется на высоком уровне до 5-7 лет, после чего снижается.

ПЕ Р Е В А Р И В А Н И Е У Г Л Е В О Д О В У Д Е Т Е Й

Удетей первого года жизни из-за недостаточной кислотности желудка слюнная α-амилаза способна попадать в тонкую кишку и участвовать в пищеварении. Поэтому, несмотря на то, что активность α-амилазы поджелудочной железы у новорожденных довольно низкая, младенцы удовлетворительно способны переваривать полисахариды, в том числе

имолочных смесей. К концу первого года жизни активность панкреатической α-амилазы возрастает в 25 раз, к периоду половой зрелости – в 50 раз.

Еще одной особенностью переваривания углеводов у младенцев является разная скорость гидролиза α-лактозы и β-лактозы. β-Лактоза, присутствующая в женском молоке, не полностью гидролизуется в тонкой кишке и не вызывает сильной гипергликемии. Часть β-лактозы достигает нижних отделов тонкой кишки и толстого кишечника и предопределяет, в числе других достоинств грудного вскармливания, развитие оптимальной кишечной микрофлоры. В коровьем молоке преобладает α-лактоза, которая легко расщепляется уже в верхних отделах тонкого кишечника и полученные моносахара быстро всасываются, что приводит к более высокой гипергликемии.

Н А Р У Ш Е Н И Я П Е Р Е В А Р И В А Н И Я Д И С А Х А Р И Д О В

Существуют две наиболее встречающиеся формы нарушения переваривания дисахаридов в кишечнике – дефект лактазы и сахаразы.

Приобретенные формы недостаточности переваривания углеводов возникают в результате заболеваний стенок ЖКТ: энтериты, колиты, когда нарушается образование ферментов и их размещение на щеточной каемке энтероцитов. К тому же ухудшается всасывание моносахаров.

При наследственной патологии лактазы симптомы проявляются после первых кормлений; патология сахаразы обнаруживается позднее, при введении в рацион сладкого.

Недостаточность лактазы может быть не только у младенцев, но также у подростков и взрослых в результате естественного процесса снижения синтеза фермента в онтогенезе.

Патогенез. Отсутствие гидролиза соответствующих дисахаридов приводит к осмотическому эффекту и задержке воды в просвете кишечника. Кроме этого, сахара активно потребляются микрофлорой толстого кишечника и метаболизируют с образованием органических кислот (масляная, молочная) и газов. Из-за этого симптомами лактазной или сахаразной недостаточности являются диарея, рвота, метеоризм, вспучивание живота, его спазмы и боли.

Диагностика. Дифференциальная диагностика нарушений переваривания и всасывания заключается в контроле уровня глюкозы крови после раздельного приема дисахаридов и эквивалентного количества моносахаридов. Незначительный подъем концентрации глюкозы крови в первом случае указывает на нехватку ферментов, во втором – на нарушение всасывания.

Основы лечения. Исключение из рациона молока или продуктов с добавлением сахара в зависимости от типа непереносимого углевода.

Выход глюкозы из клетки в межклеточное пространство и далее кровь происходит бла-

годаря облегченной диффузии.

Т Р А Н С П О Р Т И З К Р О В И Ч Е Р Е З К Л Е Т О Ч Н Ы Е М Е М Б Р А Н Ы

Из крови внутрь клеток глюкоза попадает при помощи облегченной диффузии – по градиенту концентрации с участием белков-переносчиков (глюкозных транспортеров "ГлюТ"). Различают 12 типов транспортеров глюкозы, расположенных на мембранах различных клеток.

Впечени и эпителии кишечника присутствует ГлюТ-2, всегда присутствующий на мембране и обладающий способностью пропускать глюкозу в обе стороны – как внутрь клетки, так и наружу.

Вмышцах и жировой ткани находится ГлюТ-4, только эти транспортеры являются чувствительными к влиянию инсулина – при действии инсулина на клетку они поднимаются

кповерхности мембраны и переносят глюкозу внутрь. Именно поэтому данные ткани полу-

чили название инсулинзависимых.

Некоторые ткани совершенно нечувствительны к действию инсулина, их называют инсулиннезависимыми. К ним относятся нервная ткань, стекловидное тело, хрусталик, сетчатка, клубочковые клетки почек, эндотелиоциты, семенники и эритроциты.

Большинство клеток занимает промежуточное положение, т.е. на их мембранах находятся разные типы транспортеров.

РЕ А К Ц И И В З А И М О П Р Е В Р А Щ Е Н И Я С А Х А Р О В

Поскольку в кишечнике всасываются все поступающие с пищей моносахариды (фруктоза, галактоза, манноза и т.п.), то перед организмом встает задача превратить полученные гексозы в глюкозу для ее дальнейшего использования в реакциях метаболизма. Этот процесс получил название взаимопревращение сахаров. Цель его – создание только одного субстрата для реакций метаболизма, а именно α-D-глюкозы, что позволяет сэкономить ресурсы, не образовывать множество ферментов для каждого вида сахара. Реакции протекают в эпи-

телии кишечника и в гепатоцитах.

П Р Е В Р А Щ Е Н И Е Г А Л А К Т О З Ы В Г Л Ю К О З У

Галактоза сначала подвергается фосфорилированию по 1-му атому углерода. Далее в реакции с УДФ-глюкозой происходит перемещение УМФ на галактозо-1-фосфат и получается УДФ-галактоза, которая впоследствии эпимеризуется в УДФ-глюкозу. УДФ-глюкоза отдает УМФ на привносимый галактозо-1-фосфат и превращается в глюкозо-1-фосфат, глю- козо-6-фосфат и глюкозу.

НА Р У Ш Е Н И Я ПРЕВРАЩ ЕНИЯ ГАЛАКТОЗЫ

Нарушения обмена галактозы у детей могут быть вызваны генетическим дефектом одного из ферментов:

o галактозо-1-фосфат-уридилтрансферазы, частота дефекта 1:40000, o галактокиназы, частота дефекта 1:500000,

o эпимеразы, частота дефекта реже 1:1000000.

Заболевание, возникающее при этих нарушениях, получило название галактоземия. Диагностика. Дети отказываются от еды. Концентрация галактозы в крови возрастает

до 11,1-16,6 ммоль/л (норма 0,3-0,5 ммоль/л), в крови появляется галактозо-1-фосфат. К лабораторным критериям относятся также билирубинемия, галактозурия, протеинурия, гипераминоацидурия, накопление гликозилированного гемоглобина.