Углеводы наряду с белками-наиболее распространенные соединения, участвующие в построении клетки и используемые в процессе ее жизнедеятельности. Они входят в состав всех живых организмов. К классу углеводов относят органические соединения, содержащие альдегидную или кетонную группу и несколько спиртовых гидроксилов. Их элементарный состав выражается общей формулой СMH2NON. Из этого правила есть немногочисленные исключения. В зависимости от состава, строения и свойств, в частности от поведения при нагревании с разбавленными растворами кислот (от отношения к гидролизу), углеводы делятся на простые и сложные. Простые углеводы не подвергаются гидролизу. Сложные углеводы при гидролизе распадаются с образованием простых углеводов. Нередко функцию углеводов в обмене веществ сводят к энергетическому обеспечению химических реакций. Это далеко не так. Углеводы выполняют еще одну важнейшую функцию в процессе обмена веществ- они являются источником большого числа органических соединений, которые служат исходными продуктами для биосинтеза липидов, белков и нуклеиновых кислот. Распад углеводов в организме с высвобождением энергии и запасанием ее в виде АТФ было рассмотрено выше.
Синтез углеводов. В тканях и органах человека происходит синтез сложных углеводов. Строительным блоком для синтеза служит глюкоза. Большая часть глюкозы поступает в организм с пищей, однако при длительном голодании может включаться механизм синтеза глюкозы. Из неуглеводных источников (глюконеогенез). В качестве субстратов глюконеогенеза могут служить аминокислоты, превращающиеся в пировиноградную и щавелево-уксусную кислоты. Также к неуглеводным источникам глюконеогенеза относятся глицерин, кислоты цикла Кребса, молочная кислота. Преобразование всех указанных веществ (кроме глицерина) в глюкозу проходит через стадию пировиноградной и щавелево-уксусной кислоты. Большая часть реакций на пути от пирувата до глюкозы катализируется ферментами гликолиза путем обращения соответствующих реакций.
Пировиноградная кислота→щавелево-уксусная кислота→ фосфоенолпирови- ноградная кислота→ 2-фосфоглицериновая кислота↔ 3-фосфоглицериновая кислота→ 1,3-дифосфоглицериновая кислота↔ 3-фосфоглицериновый альдегид↔ фосфодиоксиацетон↔ фруктозо-1,6-дифосфат→ фруктозо-6-фосфат→ глюкозо-6-фосфат→ глюкоза.
Глюконеогенез-обратимый процесс, на скорость протекания которого оказывают влияние гормоны. Гллюконеогенез использует молочную кислоту, накапливающуюся в мышцах во время интенсивной мышечной работы. Этот метаболический путь, протекающий в печени, можно рассматривать как приспособление для разгрузки организма от молочной кислоты, образующейся в мышцах в анаэробных условиях.
Биосинтез гликогена. Иначе биосинтез гликогена называется гликогеногенезом. Он осуществляется практически во всех тканях, но особенно активно протекает в скелетных мышцах и в печени. Биосинтез гликогена может идти двумя путями. Один из них заключается в переносе олигосахаридных фрагментов с одного полисахарида на существующий фрагмент гликогена, другой-в переносе остатков глюкозы. Источником остатков глюкозы служит уридидифосфатглюкоза (УДФ-глюкоза), которая образуется из глюкозо-1-фосфат и УТФ при участии фермента глюкозо-1-фосфат-уридилтрансферазы. Синтез гликогена осуществляет фермент гликогенсинтетаза. Фермент снимает остаток глюкозы с УДФ-глюкозы и переносит его на нередуцирующий конец растущей цепи гликогена.
Интенсивность катаболических и анаболических путей обмена углеводов в разных тканях организма неодинаково и определяется, прежде всего, особенностями обмена каждой ткани и органа. Если рассматривать организм в целом, то можно выявить некоторую специализацию путей превращения углеводов в отдельных тканях. Такая специализация, несомненно, оправдана, так как отвечает функциональной направленности ткани или органа. Поскольку функционирование отдельного органа обеспечивает жизнедеятельность всего организма, существенным моментом в обмене веществ в целом и в обмене углеводов в частности является интеграция катаболических и анаболических процессов.
Обмен липидов. Липидами называют природные неполярные соединения, нерастворимые в воде, но растворимые в неполярных растворителях (эфир, хлороформ, бензол и другие). В структурном отношении все липиды являются сложными эфирами жирных кислот и разнообразных спиртов. В зависимости от строения липиды разделяют на простые и сложные. В группе простых липидов выделяют жиры, воски (характерны для растений) и стериды. Сложные липиды подразделяются на фосфолипиды, гликолипиды, диольные и орнитиновые (характерны для микроорганизмов). В тканях организма происходит непрерывное обновление липидов. Основную массу липидов человека составляют триглицериды, которыми особо богата жировая ткань. Поскольку триглицериды выполняют энергетическую функцию, то процессы их обновления связаны с мобилизацией и депонированием их в процессе образования энергии. Обмен фосфолипидов недостаточно изучен, но имеется мнение, что их обновление связано, прежде всего, с процессами восстановления структуры мембран. Обновление липидов тканей и органов организма требует предварительного внутриклеточного ферментативного их гидролиза. Гидролиз триглицеридов (липолиз) происходит в два этапа. На первом этапе происходит гидролиз внешних сложноэфирных связей, ускоряет этот процесс фермент липаза.
β-моноглицерид, образовавшийся на первом этапе распада триглицеридов, далее гидролизуются неспецифической эстеразой до глицерина и ВЖК:
В результате гидролиза триглицеридов образуются глицерин и три молекулы ВЖК. Фосфотиды распадаются на соответствующие структурные компоненты: глицерин, ВЖК, фосфорную кислоту и азотистое основание. Продукты гидролиза и фосфотидов подвергаются дальнейшим метаболическим превращениям.
Обмен глицерина может осуществляться несколькими путями. Значительная часть липидов глицерина, образовавшихся при гидролизе, используются для ресинтеза триглицеридов. Второй путь обмена глицерина- включение продукта его окисления в гликолиз или глюкогеногенез. Независимо от пути обмена начальным этапом является процесс фосфолирования глицерина, донором фосфатной группы является АТФ:
С3Н5(ОН)3 +АТФ→С3Н5(ОН)2О-РО(ОН)2 +АДФ
Глицерин α-глицерофосфат
Большая часть α-глицерофосфата используется для синтеза триглицеридов. Обмен глицерина связан тесно с гликолизом, во второй этап которого включаются его метаболиты.
Окисление жирных кислот. В 1904 году Ф.Кнооп показал, что при окислении в митохондриях происходит постепенное уменьшение на два углеродных атома с карбоксильного конца высшей жирной кислоты. Ф.Кнооп назвал этот процесс β-окислением. Дальнейшие исследования, проведенные А. Ленинджером, Ф. Линеном, Д. Грином, С. Очао и другими учеными, уточнили и развили представление о β-окислении ВЖК.
Первым этапом распада жирных кислот является их активизирование; этот процесс катализируется ацил-КОА-синтетазой, которая локализирована в мембранах эндоплазматической сети и в наружной мембране митохондрий:
O Mg2+ О
|| Ацил-КоА-синтетаза ||
R-C-OH + АТФ + КоАSН ————————————→ R-C-SKoA + АМФ +Н4Р2О7
ВЖК Ацил-КоА
Поскольку процесс активизирования ВЖК идет вне митохондрий, то далее необходим транспорт ацила через мембрану внутрь митохондрий. Транспорт приходит с участием находящегося на внешней стороне мембраны карнитина, на который передается ацил с ацила-КоА из цитоплазмы клетки. Затем ацилкарнитин диффундирует через мембрану митохондрий и передает свой ацил коэнзиму А, находящемуся в матриксе митохондрий. Процесс переноса ацила между КоА и карнитином является ферментативным, катализируемым ацил-КоА-карнитин-трансферазой. В матриксе митохондрии происходит процесс β-окисления. Первой стадией β-окисления ВЖК является окисление ацил-КоА путем отщепления двух атомов водорода от α- и β-углеродных атомов ацила коферментом соответствующей дегидрогеназы. Далее происходит присоединение молекулы воды таким образом, что ОН-группа присоединяется к β-, а атом водорода-к α-углеродному атому. На следующей стадии идет окисление β-оксициала КоА, катализируемое дегидрогеназой, в результате действия которой образуется β-кетоацил-КоА. На последней стадии β-окисления происходит негидролитический распад β-кетоацил-КоА и перенос ацила, укороченного на два углеродных атома по сравнению с первоначальным, на молекулу КоА. β-окисление-это циклический процесс, так как ацил-КоА, образовавшийся на последнем этапе, вновь подвергается β-окислению, проходя все описанные ранее стадии. Конечным продуктом β-окисления является ацетил-КоА, дальнейший обмен которого зависит от состояния организма.
Образование кетоновых тел. Одним из процессов, в котором происходит регенерирование свободного КоА из ацильных производных, является образование ацетоуксусной кислоты. В этом процессе принимают участие три молекулы ацил-КоА. Сначала происходит конденсация двух молекул ацил-КоАс образованием β-кетобутирил-КоА. На второй стадии происходит высвобождение КоА из β-кетобутерил-КоА. Для этого процесса нужна еще одна молекула ацетил-КоА. Образовавшиеся β-окси- β-метилглутарил-КоА далее подвергается негидролитическому расщеплению, в результате образуется ацетоуксусная кислота. Ацетоуксусная кислота при восстановлении дает β-оксимасляную кислоту. Ацетоуксусная и β-оксимасляная кислоты синтезируются в печени и поступают в кровь к мышечной и другим тканям, которые утилизируют их в цикле Кребса. Ацетоуксусная кислота может превращаться в ацетон. Ацетоуксусная β-масляная кислоты и ацетон получили название кетоновых тел.
Биосинтез липидов. Синтез высших жирных кислот локализован в эндоплазматической сети клетки. Непосредственным источником синтеза является малонил-КоА, образующийся из ацетил-КоА и оксида углерода (IV) при участии АТФ
O O
|| Ацетил-КоА- ||
CH3-C-SKoA + CO2+ AТФ—————→HOOC-CH2-C-SKoA + АДФ + Н3РО4
карбоксилаза
Ацетил-КоА Малонил-КоА
Начальным этапом синтеза ВЖК является конденсация малонил-КоА с ацетил-КоА. Образовавшийся β-кетобутирил-КоА сначала восстанавливается до β-оксибутерила-КоА, который далее с участием дегидротазы превращается в кротонил-КоА, содержащий двойную связь. Кротонил-КоА восстанавливается до бутирил-КоА. Биосинтез ВЖК носит циклический характер. Синтезированный бутирил-КоА вступает в новый цикл превращений, представленный выше.
Синтез триглицеридов происходит при депонировании липидов в жировой или других тканях организма. Локализован этот процесс на мембранах эндоплазматической сети. Первой стадией синтеза триглицеридов является трансацилирование α-глицерофосфата с образованием фосфатидной кислоты.
Далее фосфотидная кислота подвергается действию фосфатидат-фосфатазы с образованием α, β-диацилглицерина. На последней стадии синтеза происходит ацилирование свободной ОН-группы α, β-диацилглицерина, катализируемое диацилглицерин-ацилтрансферазой. Ферменты, ускоряющие синтез триглицеридов, найдены в клетках печени, слизистой оболочки кишечника, жировой ткани и др. из тканей с интенсивным синтезом триглицеридов, они мигрируют в ткани, где нет активного синтеза. В регуляции липидного обмена значительную роль играют центральная нервная система, а также многие железы внутренней секреции (половые, щитовидной железы, гипофиз, надпочечники).
Поможем написать любую работу на аналогичную тему