Химия и обмен углеводов

Функции углеводов
Энергетическая. Углеводы обеспечивают около 50-60% суточного энергопотребления организма.
Пластическая. Углеводы (рибоза, дезоксирибоза) используются для построения АТФ, АДФ и других нуклеотидов, а также нуклеиновых кислот. Отдельные углеводы являются компонентами клеточных мембран и межклеточного матрикса.
Резервная. Углеводы запасаются в скелетных мышцах, печени в виде гликогена.

Функции углеводов
Защитная. Сложные углеводы входят в состав компонентов иммунной системы; мукополисахариды находятся в слизистых веществах, покрывающих поверхность сосудов, бронхов, пищеварительного тракта, мочеполовых путей.
Специфическая. Отдельные углеводы участвуют в обеспечении специфичности групп крови, выполняют роль антикоагулянтов, являются рецепторами ряда гормонов или фармакологических веществ.
Регуляторная. Клетчатка пищи не расщепляется в кишечнике, но активирует перистальтику кишечника, ферменты пищеварительного тракта, ускоряя усвоение питательных веществ.

КЛАССИФИКАЦИЯ
моносахариды (простые сахара)
дисахариды
олигосахариды
полисахариды

МОНОСАХАРИДЫ
Альдозы (-CHO)
Кетозы (>C=O)

Альдозы

Кетозы

Изомерия
Изомеры – вещества, имеющие одинаковую химическую формулу
Оптические изомеры отличаются ориентацией атомов и функциональных групп в пространстве
эпимеры отличаются конформацией только у одного атома углерода (Глюкоза и манноза различаются конфигурацией при С-2).
энантиомеры являются зеркальным отражением друг друга

Циклические формы моносахаридов
Полуацетали образуются при внутримолекулярном взаимодействии гидроксильной и альдегидной групп.
Полукетали образуются при внутримолекулярном взаимодействии гидроксильной группы и кетогруппы.

В нейтральном растворе менее 0,1% молекул глюкозы находятся в ациклической форме. Подавляющая часть глюкозы присутствует в форме циклического полуацеталя
При замыкании кольца по гидроксильной группе С-5 с образованием шестичленного пиранового цикла. Сахара с шестичленным циклом называются пиранозами.
Замыкание кольца с участием гидроксильной группы С-4 дает фурановый цикл, а сахара с таким циклом называются фуранозами.

Аномерные атомы углерода
моносахарид относится к α аномерам, если гидроксильная группа расположена под плоскостью кольца;
моносахарид относится к β аномерам, если гидроксильная группа расположена над плоскостью кольца.
Переход аномеров из одной формы в другую носит название мутаротация

Наиболее распространенные дисахариды

Наиболее важные полисахариды, состоящие из остатков глюкозы.

Крахмал
Амилоза
Амилопектин

Полисахариды
Гликоген – форма хранения углеводов в животных тканях (печени и мышцах)
Целлюлоза - структурный компонент клеток растений

Производные моносахаридов
Фосфорные эфиры (этерификация)
Аминосахара
Уроновые кислоты (окисление)
Дезоксисахара (дезоксирибоза)
Спирты (восстановление)

Фосфопроизводные

Кислоты – производные моносахаров
(в т. ч. уроновые)
Кислоты образуются в результате окисления альдегидной или спиртовых групп моносахаридов.

Кислоты – производные моносахаров
Глюкуроновая кислота – участвует в метаболизме билирубина, является компонентом протеогликанов
Аскорбиновая кислота (витамин С)

Дезоксисахара
Дезоксисахара содержат атом водорода вместо гидроксильной группы
2- дезоксирибоза содержится в молекулах ДНК

глюкоза восстанавливается в сорбитол;
манноза восстанавливается в маннитол;
фруктоза может восстанавливаться в сорбитол и в маннитол
Гиперпродукция сорбитола имеет клиническое значение у больных сахарным диабетом.
Сахароспирты

Сорбитоловый путь превращения глюкозы
Конечные продукты обмена глюкозы по сорбитоловому пути (фруктоза и сорбитол) плохо проникают через клеточную мембрану и накапливаются внутри клетки, приводя к внутриклеточной гиперосмолярности. Повышенная гидратация тканей ведет к их набуханию и повреждению. Клинически это проявляется развитием ангиопатий, нейропатий, катаракты

Аминосахара
Аминосахара – производные, моносахаридов, у которых гидроксильная группа замещена амино- или ацетиламино- группами.
глюкозамин , галактозамин– аминосахара, имеющие наибольшее биологическое значение

Антигены групп крови
Fuc - фукоза; Gal - галактоза; GalNAc - N-ацетилгалактозамин; GlcNAc - N-ацетилглюкозамин.

Антигены групп крови
Антигены групп крови - специфический класс олигосахаридов, которые могут присоединяться к белкам, липидам.
Группа крови человека зависит от присутствия специфических антигенов.
Чужеродные антигены могут вызывать синтез специфических антител.

Характеристика групп крови

АВО группы крови
Группа крови О (I) Люди с этой группой крови синтезируют антитела к А и В антигенам. Им можно переливать кровь только группы О. Но они могут быть донорами для всех других групп (универсальные доноры).
Группа крови А (II) Образуют антитела только против В антигенов. Они могут получать кровь групп О и А, и быть донорами для групп А и АВ.
Группа крови В (III) Образуют антитела только против А антигенов. Они могут получать кровь групп О и В, и быть донорами для групп В и АВ.
Группа крови АВ (IV) Люди с этой группой крови не синтезируют антитела ни к А, ни к В антигенам. Они могут получать кровь любой группы (универсальные реципиенты)

Белок-углеводные связи
N-гликозидные (углеводы присоединяются через аминогруппы аспарагина). Это наиболее распространенный класс гликопротеинов.
О-гликозидные (углеводы присоединяются через гидроксильные группы серина или треонина).

Гликопротеины
структурная (компоненты клеточной стенки и мембран);
гормоны (тиреотропный, хорионический гонадотропин);
компоненты иммунной системы (иммуноглобулин, интерферон).

Протеогликаны
Протеогликаны являются основным компонентом межклеточного матрикса.
Углеводным компонентом протеогликанов являются гликозаминогликаны.
Гликозаминогликаны состоят из повторяющихся дисахаридных единиц.

Структура и распределение гликозаминогликанов

ОБМЕН УГЛЕВОДОВ
(синтез и распад гликогена)

Углеводный обмен — совокупность процессов превращения моно- и полисахаридов в организме человека и животных

Углеводный обмен складывается из следующих процессов:
Расщепление в желудочно-кишечном тракте до моносахаридов, поступающих с пищей поли- и дисахаридов.
Всасывание моносахаридов из кишечника в кровь
Поступление моносахаридов в клетки тканей
Тканевой метаболизм
Аэробное и анаэробное расщепление глюкозы
Пентозофосфатный путь окисления глюкозы
Синтез и распад гликогена
Глюконеогенез

Превращение углеводов в пищеварительной системе

Транспорт моносахаридов из просвета кишечника в клетки слизистой оболочки может осуществляться путем:
облегченной диффузии или
активного транспорта

Всасывание углеводов
фруктоза глюкоза Nа+ галактоза
Скорость всасывания углеводов
Д-галактоза – 110
Д-глюкоза - 100
Д-фруктоза - 43

Поступление в клетки периферических тканей осуществляются с помощью особых транспортных систем, функция которых заключается и переносе молекул сахаров через клеточные мембраны. Существуют особые белки-переносчики — транслоказы, специфические по отношению к сахарам

Транспорт глюкозы в клетки тканей

Транспортеры глюкозы (ГЛЮТ)

Внутриклеточный метаболизм глюкозы
Метаболизм глюкозы, связанный с ритмами питания
Абсорбтивный период
окисление глюкозы (гликолиз, пентозофосфатный путь)
синтез гликогена (гликогенез)
Постабсорбтивный период и при голодании
распад гликогена (гликогенолиз)
синтез глюкозы ( глюконеогенез)

Метаболизм глюкозы, связанный с ритмами питания
Абсорбтивный период
окисление глюкозы
синтез гликогена (гликогенез)
Постабсорбтивный период и при голодании
распад гликогена (гликогенолиз)
синтез глюкозы ( глюконеогенез)

Гормоны, регулирующие обмен глюкозы

ГЛИКОГЕНЕЗ
(синтез гликогена)
Гликоген – основной резервный полисахарид, депонирующийся в печени и мышцах в виде гранул.
При полимеризации глюкозы снижается растворимость образующейся молекулы гликогена и её влияние на осмотическое давление.
Концентрация гликогена в печени достигает 5% её массы;
Концентрация гликогена в мышцах составляет около 1%.

Фрагмент молекулы гликогена

Этапы гликогенеза
Синтез уридиндифосфатглюкозы (УДФ-глюкозы);
Образование α1,4 гликозидных связей;
Образование α1,6 гликозидных связей.

Образование α1,4 гликозидных связей осуществляется при участии фермента гликогенсинтазы

Ветвление гликогена осуществляется при участии фермента амило(1,4→1,6) трансгликозилазы («гликоген ветвящий фермент»)

ГЛИКОГЕНОЛИЗ
(распад гликогена)
Функция: Обеспечивает нормальный уровень глюкозы в крови в постабсорбтивный период
Глюкоза крови: 3,3-5,5 ммоль/л

Этапы гликогенолиза
1. Расщепление (фосфоролиз) α1,4 гликозидных связей
Фермент: гликогенфосфорилаза.
Молекула гликогена при этом уменьшается на один остаток глюкозы.

Преимущество фосфоролиза перед гидролизом: продукт реакции глюкозо-1-фосфат изомеризуется в глюкозо-6-фосфат – субстрат гликолиза (или из него образуется свободная глюкоза)

Глюкозо-6-фосфат Глюкоза
Глюкозо-6-фосфатаза
1.
2.

2. Расщепление α 1,6 гликозидных связей
Процесс протекает в два этапа:
а. три остатка глюкозы переносятся с ветви гликогена на основную цепь (фермент: триглюкозотрансфераза)
б. оставшийся остаток глюкозы отщепляется гидролитически (фермент: α 1,6 глюкозидаза («гликоген деветвящий фермент»)

Функция гликогена в печени и мышцах
Гликоген печени используется для поддержания физиологической концентрации глюкозы в крови
Мышечный гликоген является источником глюкозы для клеток данной ткани

Регуляция углеводного обмена
Осуществляется при участии 2-х основных механизмов:
1.Индукции или подавления синтеза ферментов
2.Активации или торможения их действия (аллостерическая регуляция, ковалентная модификация и т. д.)

Регуляция синтеза и распада гликогена
Гликогенфосфорилаза аллостерически активируется АМФ и ингибируется АТФ и глюкозо-6-фосфатом
Гликогенсинтаза стимулируется глюкозо-6-фосфатом
Оба фермента регулируются путем ковалентной модификации: фосфорилированием- дефосфорилированием

Регуляция синтеза и распада гликогена
Гликогенфосфорилаза активна в фосфорилированном состоянии,
не активна в дефосфорилированном состоянии
Гликогенсинтаза активна в дефосфорилированном состоянии,
не активна в фосфорилированном состоянии

Гормоны, регулирующие обмен глюкозы

Регуляция синтеза и распада гликогена
Распад гликогена
Синтез гликогена

Нарушения синтеза и распада гликогена

Гликогенозы – заболевания, обусловленные дефектом ферментов, участвующих в распаде гликогена
Агликогеноз – заболевание, возникающее в результате дефекта гликогенсинтетазы

Гликогенозы (болезни накопления) характеризуются избыточным накоплением гликогена в клетках, которое может сопровождаться изменением структуры молекул этого полисахарида
Type 0
Type I - von Gierke's disease
Type Ib
Type Ic
Type II - Pompe disease
Type IIb - Danon disease
Type III - Cori disease or Forbes disease
Type IV - Andersen disease
Type V - McArdle disease
Type VI - Hers disease
Type VII - Tarui disease
Type VIII
Type IX
Type XI - Fanconi-Bickel syndrome

Типы гликогенозов