Автор работы: Пользователь скрыл имя, 16 Января 2014 в 14:24, реферат
Углеводный обмен или метаболизм углеводов в организмах животных и человека. Метаболизм углеводов в организме человека состоит из следующих процессов:
Расщепление в пищеварительном тракте поступающих с пищей поли- и дисахаридов до моносахаридов, дальнейшее всасывание моносахаридов из кишечника в кровь.
Синтез и распад гликогена в тканях (гликогенез и гликогенолиз), прежде всего в печени.
При сжигании в калориметре 1 моль глюкозы с образованием СО2 и Н2О выделяется приблизительно 2780 кДж теплоты. Когда окисление глюкозы происходит в тканях, часть высвобождаемой энергии не теряется в форме теплоты, а «улавливается» в виде высокоэнергетических фосфатных связей. На молекулу глюкозы, окисляющуюся до СО2 и Н2О, образуется примерно 38 высокоэнергетических фосфатных связей. Если принять, что энергия высокоэнергетической связи равна 30,5 кДж, то суммарная энергия, запасаемая в форме АТФ, составит 1159 кДж на 1 моль глюкозы (приблизительно 41,7 % от энергии сгорания). Большая часть АТФ образуется в процессе окислительного фосфорилирования при окислении восстановленных коферментов дыхательной цепью. Другая часть АТФ образуется в результате фосфорилирования, происходящего «на субстратном уровне».
Анаболизм глюкозы — образование глюкозы в организме, под действием ферментативных процессов, в основном из неуглеводных продуктов, таких как — ПВК, лактата и др.
Глюконеогенез — синтез глюкозы из неуглеводных источников. Например: анаэробная фаза расщепления глюкозы — гликолиз — заканчивается образованием ПВК или лактата. Они при определенных условиях (при голоде и т. д.) могут вновь ресинтезироваться в глюкозу. Из двух молекул молочной кислоты образуется одна молекула глюкозы, то есть происходит как бы обращение гликолиза. Это означает, что глюконеогенез — процесс противоположный гликолизу. Однако у гликолиза существуют четыре необратимые стадии, протекающие с выделением значительного количества энергии, поэтому глюконеогенез идет в обход этих стадий.
Ханс Адольф Кребс — лауреат Нобелевской премии в области медицины и физиологии 1953 года, за открытие цикла лимонной кислоты или, его современное название — Цикла Кребса (Цикл трикарбоновых кислот), описал орнитиновый цикл мочевины, работал над проблемами глюконеогенеза
Кребс отметил, что простому обращению гликолиза препятствуют энергетические барьеры на ряде стадий: 1) и 2) между пируватом и фосфоенолпируватом, 3) между фруктозо-1,6-дисфосфатом и фруктозо-6-фосфатом, 4) между глюкозо-6-фосфатом и глюкозой, а также между глюкозо-1-фосфатом и гликогеном. Эти барьеры обходятся с помощью специальных реакций.
Первой необратимой реакцией глюконегенеза — является превращение пирувата в оксалоацетат под действием фермента пируваткарбоксилаза, CO2 и АТФ. Реакция протекает в митохондриях, куда проникает пируват, и катализируется пируваткарбоксилазой по уравнению:
Этот фермент в качестве кофактора, как и ферменты, усваивающие CO2, содержит, биотин.
На этой стадии образовавшийся в 1-ой стадии оксалоацетат поступает из митохондрий в цитоплазму, где подвергается декарбоксилированию и фосфорилированию под влиянием фермента фосфоенолпируваткарбоксикиназы превращается в фосфоенолпируват. Донором фосфатного остатка в реакции служит гуанозинтрифосфат (ГТФ).
От фосфоенолпирувата до фруктозо-1,6-дифосфата все реакции гликолиза обратимы, поэтому молекулы образовавшегося фосфоенолпирувата используются для образования фруктозо-1,6-дифосфата теми же ферментами гликолиза.
Третья необратимая стадия глюконеогенеза это — превращение фруктозо-1,6-дисфосфата во фруктозо-6-фосфат, необходимое для обращения гликолиза на рассматриваемой стадии, катализируется специфическим ферментом фруктозо-1,6-дисфосфатазой. Это — ключевой фермент в том смысле, что именно его присутствием определяется, способна ли ткань ресинтезировать гликоген из пирувата и триозофосфатов. Этот фермент имеется в печени и почках, он был также обнаружен в поперечнополосатых мышцах. Считают, что в сердечной мышце и гладких мышцах он отсутствует.
Фруктозо-6-фосфат изомеризуется в глюкозо-6-фосфат глюкозофосфатизомеразой.
Четвёртая и последняя необратимая стадия глюконеогенеза это — превращение глюкозо-6-фосфата в глюкозу. Реакция катализируется другой специфической фосфатазой — глюкозо-6-фосфатазой (реакция идет в обход гексокиназной реакции). Она присутствует в печени и почках, но отсутствует в мышцах и жировой ткани. Наличие этого фермента позволяет ткани поставлять глюкозу в кровь.
Распад гликогена с образованием глюкозо-1-фосфата осуществляется фосфорилазой. Синтез гликогена идет по совершенно другому пути, через образование уридиндифосфатглюкозы, и катализируется гликогенсинтазой.
На примере глюконеогенеза можно видеть экономичность организации путей обмена, поскольку помимо 4-х специальных ферментов глюконеогенеза: пируваткарбоксилазы, фосфоенолпируваткарбоксилазы, фруктозо-1,6-дифосфатазы и глюкозо-6-фосфатазы для новообразования глюкозы используются отдельные ферменты гликолиза.
Дополнительные сведения: Цикл Кори
Лактат, образованный в анаэробном гликолизе, не является конечным продуктом метаболизма. Использование лактата связано с его превращением в печени в пируват. Лактат как источник пирувата важен не столько при голодании, сколько при нормальной жизнедеятельности организма. Его превращение в пируват и дальнейшее использование последнего являются способом утилизации лактата.
Лактат, образовавшийся в интенсивно работающих мышцах или в клетках с преобладающим анаэробным способом катаболизма глюкозы, поступает в кровь, а затем в печень. В печени отношение НАДH/НАД+ ниже, чем в сокращающейся мышце, поэтому лактатдегидрогеназная реакция протекает в обратном направлении, то есть в сторону образования пирувата из лактата. Далее пируват включается в глюконеогенез, а образовавшаяся глюкоза поступает в кровь и поглощается скелетными мышцами. Эту последовательность событий называют «глюкозо-лактатным циклом», или «циклом Кори». Цикл Кори выполняет 2 важнейшие функции:
Дополнительные сведения: Ацидоз
Термин «ацидоз» обозначает увеличение кислотности среды организма (снижение рН) до значений, выходящих за пределы нормы. При ацидозе либо увеличивается продукция протонов, либо происходит снижение их экскреции (в некоторых случаях и то и другое). Метаболический ацидоз возникает при увеличении концентрации промежуточных продуктов обмена (кислотного характера) вследствие увеличения их синтеза или уменьшения скорости распада или выведения. При нарушении кислотно-основного состояния организма быстро включаются буферные системы компенсации (через 10-15 мин). Лёгочная компенсация обеспечивает стабилизацию соотношения НСО3-/Н2СО3, которая в норме соответствует 1:20, а при ацидозе уменьшается. Лёгочная компенсация достигается увеличением объёма вентиляции и, следовательно, ускорением выведения СО2 из организма. Однако основную роль в компенсации ацидоза играют почечные механизмы с участием аммиачного буфера. Одной из причин метаболического ацидоза может быть накопление молочной кислоты. В норме лактат в печени превращается обратно в глюкозу путём глюконеогенеза либо окисляется. Кроме печени, другим потребителем лактата служат почки и сердечная мышца, где лактат может окисляться до СО2 и Н2О и использоваться как источник энергии, особенно при физической работе.
Уровень лактата в крови — результат равновесия между процессами его образования и утилизации. Кратковременный компенсированный лактоацидоз встречается довольно часто даже у здоровых людей при интенсивной мышечной работе. У нетренированных людей лактоацидоз при физической работе возникает как следствие относительного недостатка кислорода в мышцах и развивается достаточно быстро. Компенсация осуществляется путём гипервентиляции.
При некомпенсированном лактоацидозе содержание лактата в крови увеличивается до 5 ммоль/л (в норме до 2 ммоль/л). При этом рН крови может составлять 7,25 и менее (в норме 7,36-7,44)
Повышение содержания лактата в крови может быть следствием нарушения метаболизма пирувата.
Так, при гипоксии, возникающей вследствие нарушения снабжения тканей кислородом или кровью, уменьшается активность пируватдегидрогеназного комплекса и снижается окислительное декарбоксилирование пирувата. В этих условиях равновесие реакции пируват ↔ лактат сдвинуто в сторону образования лактата. Кроме того, при гипоксии уменьшается синтез АТФ, что следовательно, ведёт к снижению скорости глюконеогенеза — другого пути утилизации лактата. Повышение концентрации лактата и снижение внутриклеточного рН отрицательно влияют на активность всех ферментов, в том числе и пируваткарбоксилазы, катализирующей начальную реакцию глюконеогенеза.
Возникновению лактоацидоза также способствуют нарушения глюконеогенеза при печёночной недостаточности различного происхождения. Кроме того, лактоацидозом может сопровождаться гиповитаминоз В1, так как производное этого витамина (тиаминдифосфат) выполняет коферментную функцию в составе пируватдекарбоксилазы (ПДК) при окислительном декарбоксилировании пирувата. Дефицит тиамина может возникать, например, у алкоголиков с нарушенным режимом питания.
Итак, причинами накопления молочной кислоты и развития лактоацидоза могут быть:
Субстратами для синтеза глюкозы служат не только пируват или лактат, поступающие в печень и почки, но и другие неуглеводные соединения.
Синтез глюкозы из аминокислот
В условиях голодания часть белков мышечной ткани распадается до аминокислот, которые далее включаются в процесс катаболизма. Аминокислоты, которые при катаболизме превращаются в пируват или метаболиты цитратного цикла, могут рассматриваться как потенциальные предшественники глюкозы и гликогена и носят название гликогенных. Например, оксалоацетат, образующийся из аспарагиновой кислоты, является промежуточным продуктом как цитратного цикла, так и глюконеогенеза.
Из всех аминокислот, поступающих в печень, примерно 30 % приходится на долю аланина. Это объясняется тем, что при расщеплении мышечных белков образуются аминокислоты, многие из которых превращаются сразу в пируват или сначала в оксалоацетат, а затем в пируват. Последний превращается в аланин, приобретая аминогруппу от других аминокислот. Аланин из мышц переносится кровью в печень, где снова преобразуется в пируват, который частично окисляется и частично включается в глюконеогенез. Следовательно, существует следующая последовательность событий (глюкозо-аланиновый цикл): глюкоза в мышцах → пируват в мышцах → аланин в мышцах → аланин в печени → глюкоза в печени → глюкоза в мышцах. Весь цикл не приводит к увеличению количества глюкозы в мышцах, но он решает проблемы транспорта аминного азота из мышц в печень и предотвращает лактоацидоз.
Синтез глюкозы из глицерола
Глицерол образуется
при гидролизе триацил-
В таблице представлены реакции, ведущие от пирувата к глюкозе крови. Суммарная реакция имеет вид:
2Пируват + 4АТФ + 2ГТФ + 2НАДН + 2Н+ + 4Н2О → Глюкоза + 2НАД+ + 4AДФ + 2ГДФ + 6Фi.
Результат регуляции метаболических путей превращения глюкозы — постоянство концентрации глюкозы в крови.
Дополнительные сведения: цикл Кори
А.Углеводы, содержащиеся в пищевом рационе.
Большинство углеводов, поступающих в организм с пищей, гидролизуется с образованием глюкозы, галактозы или фруктозы, которые через воротную вену поступают в печень. Галактоза и фруктоза быстро превращаются в печени в глюкозу.
Б. Различные глюкозообразующие соединения, вступающие на путь глюконеогенеза. Эти соединения можно разделить на две группы:
Так, лактат, образующийся в скелетных мышцах и эритроцитах из глюкозы, транспортируется в печень и почки, где из него вновь образуется глюкоза, которая затем поступает в кровь и ткани. Этот процесс называется циклом Кори или циклом молочной кислоты. (глюкозолактатный цикл). 1 — поступление лактата из сокращающейся мышцы с током крови в печень; 2 — синтез глюкозы из лактата в печени; 3 — поступление глюкозы из печени с током крови в работающую мышцу; 4 — использование глюкозы как энергетического субстрата сокращающейся мышцей и образование лактата.]] Источником глицерола, необходимого для синтеза триацилглицеролов в жировой ткани, является глюкоза крови, поскольку использование свободного глицерола в этой ткани затруднено. Ацилглицеролы жировой ткани подвергаются постоянному гидролизу, в результате которого образуется свободный глицерол, который диффундирует из ткани в кровь. В печени и почках он вступает на путь глюконеогенеза и вновь превращается в глюкозу. Таким образом, постоянно функционирует цикл, в котором глюкоза из печени и почек транспортируется в жировую ткань, а глицерол из этой ткани поступает в печень и почки, где превращается в глюкозу. Следует отметить, что среди аминокислот, транспортируемых при голодании из мышц в печень, преобладает аланин. Это позволило постулировать существование глюкозоаланинового цикла, по которому глюкоза поступает из печени в мышцы, а аланин — из мышц в печень, за счет чего обеспечивается перенос аминоазота из мышц в печень и «свободной энергии» из печени в мышцы. Энергия, необходимая для синтеза глюкозы из пирувата в печени, поступает за счет окисления жирных кислот.