Материал: Биохимия. Углеводы-1
Биохимия Углеводы
ФУНКЦИИ УГЛЕВОДОВ
Энергетическая – преимущество углеводов состоит в способности глюкозы
окисляться как в аэробных, так и в анаэробных условиях;
Защитно-механическая – основное вещество трущихся поверхностей суста-вов, в сосудах, слизистых;
Опорная – целлюлоза в растениях, хондроитинсульфат в кости;
Структурная – в соединительной ткани, оболочке бактериальных клеток;
Гидроосмотическая и ионрегулирующая – мукополисахариды обладают вы-
сокой гидрофильностью, отрицательным зарядом и, таким образом, удер-
живают Н2О, Са2+, Mg2+, Na+, в межклеточном веществе и определяют тургор кожи, упругость тканей;
Кофакторная – гепарин является кофактором липопротеинлипазы плазмы крови и ферментов свертывания крови (инактивирует тромбокиназу).
КЛАССИФИКАЦИЯ
МОНОСАХАРИДЫ
Моносахариды – это углеводы, которые не могут быть гидролизованы до более
простых форм. В свою очередь они подразделяются
в зависимости от числа содержащихся в их молекуле атомов углерода: триозы, тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы, октозы:
в зависимости от присутствия альдегидной или кетонной группы: кетозы и альдо-
зы.
-
Альдозы
Кетозы
С3
С4
С5
С6
Производные моносахаридов
В природе существует огромное количество производных
как перечисленных выше моносахаров, так и других. Уроновые кислоты – дериваты гексоз, имеющие в 6 по-
ложении карбоксильные группы, например, глюкуроновая, га-лактуроновая, идуроновая, аскорбиновая кислоты.
Аминосахара – производные моносахаров, содержащие
аминогруппы, например, глюкозамин или галактозамин. Эти производные обязательно входят в состав дисахаридных
компонентов протеогликановых полисахаридов. Ряд антибио-
тиков (эритромицин. карбомицин) содержат в своем составе аминосахара.
Г
ликозиды
–
соединения,
образующиеся
путем конден-
сации моносахарида (свободного или в составе полисахари-да) с гидроксильной группой другого соединения, которым
может быть любой моносахарид или вещество не углеводной
природы (агликон), например, метанол, глицерол, стерол, фе-нол. Важное клиническое значение имеют входящие в состав
наперстянки сердечные гликозиды. В качестве агликона они
содержат стероиды. Известный антибиотик стрептомицин также является гликозидом.
ДИСАХАРИДЫ
Дисахариды – это углеводы, которые при гидролизе дают две одинаковые или
различные молекулы моносахарида.
Сахароза – пищевой сахар, в наибольшей мере содержится в сахарной свекле и
тростнике, моркови, ананасах, сорго.
Мальтоза – продукт гидролиза крахмала и гликогена, содержится в солоде, про-
ростках злаков.
Лактоза – молочный сахар, содержится в молоке. В некоторых ситуациях (на-
пример. беременность) может появляться в моче.
Целлобиоза – промежуточный продукт гидролиза целлюлозы. Здоровая микро-
флора кишечника способна гидролизовать до 3\4 поступающей сюда целлюлозы до
свободной глюкозы, которая либо потребляется самими микроорганизмами, либо всасывается в кровь.
ПОЛИСАХАРИДЫ
Выделяют гомополисахариды. состоящие из одинаковых остатков моносахаров (крахмал. гликоген. целлюлоза) и гетерополисахариды (гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты) включающие разные моносахара.
Крахмал – гомополимер α-D-глюкозы. Находится в злаках, бобовых, картофеле и некоторых других овощах. Синтезировать крахмал способны почти все растения.
Двумя основными компонентами крахмала являются амилоза (15-20%.) и ами-лопектин (80-85%). Амилоза представляет собой неразветвленную цепь с ММ от 5 до 500 тысяч Д в которой остатки глюкозы соединены исключительно α-1-4-гликозид-ными связями. Амилопектин имеет массу не менее 1 млн Д и является весьма раз-ветвленной молекулой, содержащей α-1-4- и α-1-6-гликозидные связи, причем ветв-
ление происходит за счет присоединения небольших глюкозных цепочек к основной
цепи посредством α-1-6-гликозидных связей. Каждая ветвь имеет длину 24-30 остат-
ков глюкозы. веточки возникают примерно через 14-16 остатков глюкозы в цепочке.
Кроме строения, эти два полимера отличаются друг от друга по свойствам: во-первых. амилоза с йодом дает синее окрашивание, а амилопектин – красно-фиолетовое; во-вторых, амилоза более легко растворима в воде, например,
при варке картофеля в бульон переходит амилоза, именно она придает воде опалесцирующий оттенок, в самом же картофеле остается амилопектин.
Гликоген – резервный полисахарид животных тканей, в наибольшей мере со-
держится в печени и мышцах, Структурно он схож с амилопектином, но во-первых, длина веточек меньше – 11-18 остатков глюкозы, во-вторых, более разветвлен – че-
рез каждые 8-10 остатков. За счет этих особенностей гликоген более компактно уло-
жен, что немаловажно для животной клетки.
Целлюлоза является наиболее распространенным органическим соединением
биосферы. Около половины всего углерода Земли находится в ее составе. В отли-
чие от предыдущих полисахаридов она является внеклеточной молекулой, имеет волокнистую структуру и абсолютно нерастворима в воде. Единственной связью в
ней является β-1-4-гликозидная связь.
Интересно, что прочность целлюлозных волокон превышает таковую сталь-
ной проволоки того же диаметра, это позволяет волокнам формировать
весьма прочную структуру разнообразных растений, из продуктов питания достаточно вспомнить такие овощи как морковь, капуста, редька, а из рас-тений – любые деревья.
Инулин – полисахарид фруктозы. содержится в корнях георгинов, артишоков,
одуванчиков, Является легко растворимым соединением. В медицинской практике используется для определения очистительной способности почек – клиренса.
Декстраны – резервный полисахарид дрожжей и бактерий. Основным типом связи является α-1-6-гликозидная, а в мес-
тах ветвления – α-1-4-гликозидные связи, также встречаются α-1-2- и
α
-1-3-гликозидные
связи. В медицине декст-
раны используются как компонент крове-заменителей, например, в виде вязкого рас-
твора на 0,9% NaCl – реополиглюкина.
Гликозаминогликаны – полимерные молекулы, в которых в качестве мономеров
используются дисахаридные фрагменты, содержащие уроновые кислоты и аминопро-изводные сахаров. В качестве примера мож-но привести хондроитин-4-сульфат и хонд-роитин-6-сульфат, гиалуроновую кислоту,
кератансульфат, дерматансульфат, гепа-
рин. Эти молекулы входят в состав проте-
огликанов – сложных белков , функцией ко-торых являются заполнение межклеточно-
го пространства и удержание здесь воды,
также они выступают как смазочный и структурный компонент суставов и других
тканевых структур.
ГЛИКОПРОТЕИНЫ
Выделяют два подкласса белков, содержащих углеводы: протеогликаны и глико-протеины. Между эти подклассами имеются существенные отличия:
-
Гликопротеины
Протеогликаны
Доля углеводов 15-20%
Доля углеводов 80-85%
Не содержат уроновых кислот
Имеются уроновые кислоты
Углеводные цепи
содержат не
Углеводные цепи крайне велики
более 15 звеньев
Углевод имеет
нерегулярное
Углевод имеет регулярное
строение
строение
Более подробно см тема "Сложные белки".
Сиаловые кислоты являются ацетилпроизводными ней-
раминовой кислоты. Они , наряду с аминосахарами, входят в состав гликопротеинов.
ГЛИКОЛИПИДЫ
Гликолипиды широко представлены в
нервной ткани и мозге. Размещаются они на
наружной поверхности плазматических мем-бран, при этом олигосахаридные цепи на-
правлены наружу. Большую часть гликолипи-
дов составляют гликосфинголипиды, вклю-чающие церамид (соединение аминоспирта
сфингозина с жирной кислотой) и один или
несколько остатков сахаров.
В нервной ткани главным гликолипидом является галактозилцерамид. В его состав входит длинноцепочечная жирная кислота.
Для других тканей более характерен глюкозилцерамид.
Еще одна группа гликолипидов, широко представленных в мозге, – ганглиозиды.
Они образуются из глюкозилцерамида и дополнительно содержат одну или несколь-
ко молекул сиаловой кислоты и моносахаров.
ВНЕШНИЙ ОБМЕН УГЛЕВОДОВ
Ротовая полость
Здесь находится кальций-содержащий фермент α-амилаза. Оптимум ее рН
7,1-7,2, активируется ионами Cl–. Она беспорядочно расщепляет внутренние
α-1-4-гликозидные связи и не влияет на другие типы связей.
В ротовой полости углеводы расщепляются до декстринов и мальтозы. Дисаха-
риды не гидролизуются.
Желудок
Из-за низкой рН амилаза инактивируется, хотя некоторое время расщепление уг-
леводов продолжается внутри пищевого комка.
Кишечник
В полости тонкого кишечника работают совместно панкреатическая α-амилаза,
разрывающая α-1-4-связи, и олиго-1-6-глюкозидаза, действующая на точки ветвле-ния крахмала и гликогена.
Кроме полостного, имеется еще и пристеночное пищеварение, которое осуще-
ствляют:
сахаразо-изомальтазный комплекс – в тощей кишке гидролизует α-1,2-,
α-1,4-, α-1,6-гликозидные связи, расщепляет сахарозу, мальтозу мальтот-
риозу, изомальтозу;
гликоамилазный комплекс – находится в нижних отделах тонкого кишечни-
ка и расщепляет α-1,4-гликозидные связи в олигосахаридах
β-гликозидазный комплекс (лактаза) – гидролизует β-1,4-гликозидные свя-зи между галактозой и глюкозой (лактозу). У детей активность лактозы высо-
ка уже до рождения и сохраняется на высоком уровне до 5-7 лет, после чего
снижается.
Нарушения переваривания дисахаридов
Существуют две наиболее встречающиеся формы нарушения переваривания
дисахаридов – дефект лактазы и сахаразы При наследственной патологии лактазы симптомы проявляются после первых
кормлений; патология сахаразы обнаруживается позднее, при введении в рацион сладкого.
Недостаточность лактазы может проявляться не только у младенцев.
Дело в том, что лактаза – это адаптивный фермент, его активность изме-
няется в зависимости от рациона. А человек является единственным млеко-питающим на Земле, которое потребляет молоко во взрослом состоянии. Примерно у 10-12% людей белой расы фермент перестает синтезироваться
уже в детском возрасте и возникает непереносимость молока. У народов Азии и Африки такая проблема есть у 80-95% населения.
Патогенез. Отсутствие гидролиза соответствующих дисахаридов приводит к ос-мотическому эффекту и задержке воды в просвете кишечника. Кроме этого, сахара активно потребляются микрофлорой и метаболизируют с образованием органичских кислот и газов. Из-за этого симптомами лактозной или сахаразной недостаточности являются диарея, рвота, метеоризм, вспучивание живота, его боли и спазмы.
Приобретенные формы недостаточности переваривания углеводов возникают в результате заболеваний стенок ЖКТ: энтериты, колиты, когда нарушается образо-
вание ферментов и их размещение на щеточной каемке энтероцитов. К тому же
ухудшается всасывание моносахаров.
Диагностика. Дифференциальная диагностика нарушений переваривания и вса-
сывания заключается в контроле уровня глюкозы крови после раздельного приема
обследуемым дисахаридов и эквивалентного количества моносахаридов. Незначи-тельный подъем концентрации глюкозы в первом случае указывает на нехватку
ферментов, во втором – на нарушение всасывания.
Лечение. Исключение из рациона молока или продуктов с добавлением сахара в зависимости от типа непереносимого углевода.
Роль целлюлозы в пищеварении
Целлюлоза ферментами человека не переваривается. Но в толстом кишечнике
под действием микрофлоры до 75% ее количества гидролизуется с образованием
целлобиозы и глюкозы. Глюкоза частично используется самой микрофлорой и окис-ляется до органических кислот (масляной, молочной), частично может всасываться в
кровь. Однако основная роль целлюлозы для человека состоит в другом:
стимулирует перистальтику кишечника,
формирует каловые массы,
стимулирует желчеотделение,
абсорбирует холестерин и другие вещества, что препятствует их всасыва-нию.
ПЕРЕНОС ГЛЮКОЗЫ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНЫ
ВСАСЫВАНИЕ В КИШЕЧНИКЕ
Всасывание моносахаридов происходит по механизму вторичного активного транспорта. Это значит, что затрата энергии при переносе сахаров происходит, но тратится она не непосредственно на транспорт сахара, а на создание градиента
концентрации другого вещества. Используя этот градиент, сахар проникает внутрь
клетки. В случае глюкозы таким ве-ществом является натрий.
Особый фермент – К+,Na+-АТФаза – постоянно, в обмен
на калий, выкачивает ионы натрия из клетки, именно этот транспорт тре-
бует затрат энергии. В просвете ки-
шечника содержание натрия относи-тельно высоко и он связывается со
специфическим белком, имеющим
два центра связывания: один для натрия, другой для сахара. Приме-чательно то, что сахар связывается с белком только после того, как с ним свяжется натрий. Белок-траснпортер свободно мигрирует в толще мембраны. При контакте бел-
ка с цитоплазмой натрий быстро отделяется от него и сразу отделяется сахар. Ре-
зультатом является накопление сахара в клетке, а ионы натрия вновь выкачиваются
К+,Na+-АТФазой.
-
Скорость переноса моносахаров
Относительная скорость
Галактоза
110%
Глюкоза
100%
Фруктоза
43%
Манноза
19%