61
называется окислительным декарбоксилированием пировиноградной кислоты. Он включает два вида реакций: окисление и образование СО2 путём разрушения карбоксильной группы. Окислительное декарбоксилирование пирувата осуществляется при участии пируватдегидрогеназного комплекса.
5.1.1. Пируватдегидрогеназный комплекс Пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК) молекулярной массой 6*106 д.,
включает в себя три вида ферментов (Е1-Е3) и пять видов коферментов.При этом 2 кофермента (НАД и HS-КоА) находятся в свободном состоянии и входят в состав комплекса только в момент реакции. Общий вид реакции окислительного декарбоксилирования пирувата:
Ферменты пируватдегидрогеназного комплекса
Е1 – пируватдегидрогеназа декарбоксилирующая; Е2 – дигидролипоилацетилтрансфераза (трансацетилаза); Е3 – дигидролипоилдегидрогеназа.
Коферменты пируватдегидрогеназного комплекса
1.Тиаминдифосфат (ТДФ, ТПФ), содержащий витамин В1, кофактор пируватдегидрогеназы.
2.Липоевая кислота, кофактор трансацетилазы.
3.Кофермент ФАД, содержащий витамин В2, кофактор дегидрогеназы дигидролипоевой кислоты.
4.Кофермент НАД, содержащий витамин РР.
5.Кофермент НS-КоА, содержащий аденин, рибозу, два остатка фосфорной кислоты, пантотеновую кислоту (витамин В3).
Окислительное декарбоксилирование ПВК протекает в несколько стадий, в процессе которых двухуглеродный фрагмент, образующийся из ПВК, переносится на липоевую кислоту, а затем на HS-КоА.
Витамины,входящие в состав пируватдегидрогеназного комплекса
В состав ПДК входит пять витаминов (РР. В2, липоевая кислота, В1, пантотеновая кислота).
Липоевая кислота Липоевая кислота - витаминоподобное вещество, представляет собой
восьмиуглеродную жирную кислоту с двумя -SH группами. Биологическая роль:является коферментом ПДК, участвует в окислении α - кетокислот.
62
Пантотеновая кислота, витамин В3 Пантотеновая кислота является витамином, который, в свою очередь,
включает β - аланин и производное масляной кислоты. Она распространена в животных и растительных продуктах. Суточная потребность в пантотеновой кислоте составляет до 10 мг. Биологическая роль: входит в состав НSКоА и участвует в окислительном декарбоксилировании α - кетокислот, участвует в активации жирных кислот. Авитаминоз проявляется дерматитом, депигментацией волос, поражением нервной системы.
Витамин В1, тиамин, антиневритный витамин Витамин В1 включает в свой состав пиримидиновое кольцо, содержит
аминогруппу. Суточная потребность в нём составляет 2 мг. Тиамин содержится в злаках, дрожжах. Биологическая роль: входит в состав кофермента ТДФ и участвует в окислительном декарбоксилировании α - кетокислот, а также является коферментом транскетолазной реакции в пентозофосфатном пути окисления глюкозы. Авитаминоз проявляется полиневритами (болезнь бери-бери).
Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса осуществляется путём фосфолирирования - дефосфолирирования пируватдегидрогеназы
Активаторами ПДК служат АДФ и НАД окисленный. Ингибиторами этого комплекса являются АТФ и НАДН2..
5.1.2. Биологическая роль окислительного декарбоксилирования пирувата Биологическое значение процесса окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты заключается в том, что оно является важным этапом катаболизма, позволяющим включаться в цикл Кребса тем веществам, при распаде которых образуется ПВК. Образовавшаяся молекула НАДН2 окисляется в длинной дыхательной цепи с образованием 3-х молекул АТФ. Окислительное декарбоксилирование пирувата протекает внутри митохондрий.
5.2. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Г. Кребса)
Ацетил-КоА окисляется в цикле трикарбоновых кислот - цикле Кребса.
5.2.1. Химизм цикла Кребса (цикла трикарбоновых кислот)
63
В данном цикле происходит полное окисление ацетил-КоА. Цикл начинается с взаимодействия ацетил-КоА с щавелевоуксусной кислотой (ЩУК), а заканчивается образованием щавелевоуксусной кислоты. Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) протекает внутри митохондрий.
5.2.2. Биологическое значение цикла Кребса Энергетическая функция. Энергетическая эффективность выражается количеством молекул АТФ
В цикле Кребса выделяют 3 реакции, идущие с образованием НАДН2 по схеме:
RH2 +НАД→ R + НАДН2.
Их катализируют ферменты изоцитратдегидрогеназа, кетоглютаратдегидрогеназный комплекс, малатдегтдрогеназа.
Образовавшиеся в ЦТК 3 молекулы НАДН2 в последующем окисляются в длинной ЦПЭ с образованием 9 молекул АТФ (при окислении каждой НАДН2 синтезируется 3 молекулы АТФ).
В ЦТК одна реакция (сукцинатдегидрогеназная) протекает по схеме:
64
RН2 + ФАД→ R + ФАДН2
Образовавшийся в ЦТК ФАДН2 окисляется в короткой ЦПЭ, давая энергию для синтеза 2 молекул АТФ.
Всукцинилтиокиокиназной реакции ЦТК непосредственно образуется 1 макроэрг – ГТФ (1 ГТФ = 1 АТФ).
Вцелом общая энергетическая эффективность ЦТК составляет 12 молекул АТФ.
Анаболическая функция заключается в том, что некоторые метаболиты цикла Кребса не окисляются в нём, а используются для синтеза новых веществ.
Например, α - кетоглютаровая используется на синтез глютаминовой кислоты. Сукцинил-КоА используется на синтез гема. Ацетил КоА идёт на синтез жирных кислот, холестерина. Щавелевоуксусная кислота может участвовать в синтезе аспарагиновой кислоты.
Взаимосвязь обмена белков,жиров,углеводов.
5.2.3. Регуляция активности цикла трикарбоновых кислот Ключевыми ферментами ЦТК являются цитратсинтаза и
изоцитратдегидрогеназа. Они ингибируются высокой концентрацией АТФ и НАДН2. Активаторами этих ферментов являются АДФ и НАД окисленный.
Лимитирующим фактором цикла Кребса являются запасы щавелевоуксусной кислоты. Запасы щавелевоуксусной кислоты могут пополняться 2 путями:
А) дезаминированием аспарагиновой кислоты по схеме: аспарагиновая кислота - NН3 + Н2О → ЩУК;
Б) карбоксилированием пировиноградной кислоты по схеме: ПВК + СО2 → ЩУК.
6. ОБМЕН И ФУНКЦИИ УГЛЕВОДОВ Термин «углеводы» связан с тем, что большинство веществ этого класса
соответствуют формуле Сn(H2O)m.
6.1. Содержание углеводов в организме и их биологические функции Содержание углеводов в организме человека в среднем составляет около
2%. Наиболее высоко содержание углеводов в печени, соединительной ткани. Углеводы выполняют в организме многочисленные функции.
1.Энергетическая: при окислении 1 грамма углеводов образуется 4,1 – 4,2 ккал.
65
2.Структурная функция: входят в состав клеточных мембран, рецепторов, межклеточного вещества, соединительной ткани.
3.Входят в состав других важных для организма веществ (нуклеиновые кислоты, АТФ, НАД, ФАД и др.).
4.Вместе с белками в составе гликопротеидов выполняют специфические функции:
∙иммунная функция (иммуноглобулины);
∙транспортная функция (например, трансферрин, церулоплазмин);
∙ферментативная функция (например,холинэстераза);
∙рецепторная функция;
∙коммуникативная функция (межклеточные взаимодействия).
6.2.Классификация углеводов
По способности к гидролизу все углеводы делятся на три группы:
∙моносахариды,
∙олигосахариды,
∙полисахариды (гомополисахариды, гетерополисахариды)
6.2.1. Моносахариды и их производные По химической природе моносахариды являются альдегидо - или
кетоспиртами. В зависимости от числа углеродных атомов выделяют триозы, тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы.
Наиболее распространёнными в организме пентозами являются рибоза, дезоксирибоза, рибулоза, ксилулоза. Гексозы организма в основном представлены глюкозой, фруктозой, галактозой, маннозой.
Основными производными моносахаридов в тканях человека являются аминосахара, ацетиламиносахара, гексуроновые кислоты, гликозиды.
Аминосахара – производные моносахаридов, у которых ОН - группа во 2 положении замещена на аминогруппу.
Ацетиламиносахара – производные аминосахаров, у которых к аминогруппе присоединён остаток уксусной кислоты.
66
Гексуроновые кислоты – производные гексоз, у которых в 6-ом положении содержится СООН - группа.
О-гликозиды – производные циклических форм моносахаридов, у которых
кгликозидному гидроксилу присоединён какой-либо спирт.
N-гликозиды – производные моносахаридов, в которых к полуацетальному гидроксилу присоединяется азотсодержащее вещество.
6.2.2. Олигосахариды Олигосахариды представлены дисахаридами и смешанными
олигосахаридами.
К наиболее распространённым дисахаридам относятся мальтоза (2 глюкозы), сахароза (глюкоза и фруктоза), лактоза (галактоза и глюкоза).
Лактоза - специфический дисахарид молока (в грудном молоке её содержится 6,5% или 65 г/л).
Смешанные олигосахариды представлены несколькими углеводами, соединёнными гликозидными связями. Чаще всего в их составе содержатся моносахариды манноза, фруктоза, нейраминовая кислота, галактоза. Олигосахариды в комплексе с белками определяют групповую специфичность крови, резус - фактор, входят в состав иммуноглобулинов, клеточных рецепторов, определяют межклеточные взаимодействия.
В грудном молоке присутствует большое количество специфичных олигосахаридов, например: фукозилактоза (фукоза, галактоза, глюкоза); лакто- N -тетраоза (галактоза,глюкоза, фукоза, N-ацетилглюкозамин), бифидус-фактор.
67
6.2.3. Полисахариды Полисахариды представлены гомополисахаридами (состоят из одного
вида моносахарида) и гетерополисахаридами (включают разные моносахара и их производные).
6.2.3.1. Гомополисахариды Основными гомополисахаридами для организма являются крахмал
(пищевой полисахарид) и гликоген (резервный полисахарид организма). Наиболее высокая концентрация гликогена находится в печени – 5%, в
мышцах – 2%. Он состоит из цепей циклических форм глюкозы, соединенных 1,4-α-гликозидной связью, ветвящихся за счёт 1,6-альфа-гликозидных связей. Молекулярная масса гликогена высока, достигает 107-109 д. Биологическая роль гликогена: является резервным энергетическим материалом, который не связывает воду и очень легко может перейти в глюкозу.
6.2.3.2. Гетерополисахариды (гликозаминогликаны)
Гетерополисахариды гликозаминогликаны (ГАГ) – линейные неразветвлённые полисахариды, построенные из дисахаридных фрагментов, которые, в свою очередь, в свой состав включают гексуроновую кислоту и N - ацетилгексозаминсульфат.
В зависимости от состава дисахаридных фрагментов выделяют несколько видов ГАГ:
68
∙гиалуроновая кислота;
∙хондроитинсульфаты;
∙кератансульфаты;
∙гепарин, гепарансульфат.
Гиалуроновая кислота включает в свой состав глюкуроновую кислоту и N-ацетилглюкозамин. Её молекулярная масса достигает 105-107 д. Гиалуроновая кислота содержится в межклеточном веществе соединительной ткани, в синовиальной жидкости, в слизистых секретах. За счёт присутствия большого количества полярных групп гиалуроновая кислота очень гидрофильна (1 грамм её может связать до 500 мл воды). Биологическая роль:
∙играет роль тканевого цемента, соединяет клетки, волокнистые структуры в единую ткань;
∙участвует в водно-солевом обмене;
∙определяет сосудисто-тканевую проницаемость;
∙придаёт тургор ткани.
Хондроитинсульфаты содержат в своём составе глюкуроновую кислоту, N-ацетилгалактозамин сульфат. Они распространены в хрящевой ткани, коже, сухожилиях. Молекулярная масса их составляет 18-28 тысяч д. Выделяют несколько видов хондроитинсульфатов: хондроитин-4-сульфаты (остаток сульфата в N-ацетилгалактозамине находится в 4 положении), хондроитин-6-сульфаты (сульфат находится в 6 положении), дерматансульфаты (содержат идуроновую кислоту). Биологическая роль хондроитинсульфатов: структурные компоненты соединительной ткани.
Кератансульфаты содержат в своём составе N-ацетилглюкозаминсульфат, галактозу. С возрастом содержание кератансульфатов в межпозвоночных хрящах, в роговице возрастает.
Гепарин включает в свой состав глюкуронатсульфат (или идуронатсульфат), N-ацетилглюкозаминсульфат. Гепарин синтезируется в тучных клетках. Биологическая роль гепарина: является антикоагулянтом, структурным компонентом базальных мембран, активатором некоторых ферментов, выполняет дезинтоксикационную функцию.
Гликозаминогликаны чаще всего находятся в тканях не в свободном состоянии, а в составе протеогликанов.
Протеогликаны (ПГ) – это белковоуглеводные комплексы, в которых содержатся белки (<5%), а углеводная часть представлена гликозаминогликанами. В хрящевой ткани протеогликаны образуют особые структуры – протеогликановые агрегаты. Наиболее распространённым среди них является агрекан. Он имеет структуру, представленную на рисунке. Этот агрегат имеет молекулярную массу до 1 миллиарда д. Наряду большими агрегатами в соединительной ткани присутствуют малые протеогликановые агрегаты, например, бигликаны, в которые входят одна полипептидная цепь и две - три углеводные цепочки.
69
6.2.3.3. Особенности содержания и обмена гликозаминогликанов и протеогликанов у детей.
∙Повышено содержание протеогликанов, что обуславливает физиологическую гипергидратацию новорожденных.
∙Иное распределение ГАГ: преобладает содержание гиалуроновой кислоты по сравнению с уровнем хондроитинсульфатов и кератансульфатов.
∙Более активен обмен ГАГ.
∙Относительно высокое выделение ГАГ с мочой.
6.3.Переваривание и всасывание углеводов
Основными пищевыми углеводами являются крахмал и дисахариды. Для взрослых суточная потребность в углеводах составляет 400 - 600 г для детей - 12 г/кг.
Вротовой полости происходит частичное расщепление крахмала под действием α - амилазы слюны, которая расщепляет в крахмале внутренние 1,4 –α - гликозидные связи с образованием декстринов и очень небольшого количества мальтозы.
Вжелудке отсутствуют ферменты переваривания углеводов, а резко кислая среда ингибирует активность амилазы, поэтому переваривание продолжается только внутри пищевого комка.
Основное переваривание углеводов происходит в тонком кишечнике под действием ферментов поджелудочной железы и слизистой кишечника. Наиболее активным ферментом, осуществлющим полостное переваривание углеводов, является панкреатическая α - амилаза, расщепляющая 1,4 –α -гликозидные связи до точек ветвления крахмала. Ответвления (1,6–α-гликозидные связи) расщепляется дополнительным ферментом 1,6–α -гликозидазой (изомальтазой),который вырабатывается слизистой кишечника.
Ферменты кишечника представлены α- гликозидазами и β - гликозидазами, осуществляющими пристеночное пищеварение углеводов. Основными кишечными ферментами являются:
∙мальтаза (расщепляет 1,4 –альфа-гликозидные связи в дисахариде мальтозе),
∙изомальтаза (расщепляет 1,6 - гликозидные связи в крахмале),
∙сахараза (расщепляет 1, 2- α, β гликозидные связи в дисахариде сахарозе),
∙лактаза (расщепляет 1,4- β-гликозидные связи в дисахариде лактозе),
∙гетерогалактозидаза – расщепляет гликозидные связи смешанных олигосахаридов,
70
β - галактозидаза с оптимумом рН 5.
Под действием перечисленных ферментов полисахариды и дисахариды расщепляются до моносахаридов.
6.3.1.Особенности переваривания углеводов в детском возрасте ∙ Снижена активность амилазы слюны (до 4-х лет).
∙ Преобладает пристеночное переваривание углеводов в тонком кишечнике.
∙ Выше активность лактазы.
∙ Постепенное повышение активности сахаразы с введением прикорма ∙ Снижена активность амилазы поджелудочной железы
6.3.2.Особенности микробиологического статуса кишечника грудного ребёнка
∙Отсутствует гнилостная микрофлора.
∙Преобладает бродильная микрофлора (кишечная палочка, ацидофильная флора, бифидофлора, субстратом для которой являются олигосахариды грудного молока).
6.3.3. Всасывание моносахаридов в кишечнике
Возможен как пассивный транспорт моносахаридов в случае высокой концентрации в кишечнике, так и активный транспорт с участием белков - переносчиков и одновременным всасыванием ионов Nа+, которые обеспечивают структурную перестройку транспортных белков. Обратный перенос ионов натрия осуществляется
при участии калий - натриевого насоса (К,Na-АТФ-азы).
6.3.3.1. Особенности всасывания углеводов у детей
∙Более быстрое всасывание углеводов (особенно глюкозы, галактозы)
∙Могут всасываться декстрины и дисахариды
Всосавшиеся моносахариды по системе воротной вены поступают печень, где примерно половина всосавшихся углеводов депонируется в виде гликогена. Остальная их часть поступает в головной мозг, мышцы и другие ткани.
6.4. Обмен гликогена
6.4.1. Биосинтез гликогена Гликоген – краткосрочный резерв углеводов в организме. Биосинтез
гликогена наиболее активно происходит в печени в течение первых двух часов после приёма углеводов пищи (абсорбтивный период). Глюкоза поступает в гепатоциты и другие ткани с помощью особых переносчиков (ГЛЮТ - транспортёры глюкозы).
На первом этапе глюкоза активируется за счёт АТФ под действием ферментов глюкокиназы (при высоких концентрациях глюкозы) и гексокиназы