Обмен углеводов. Катаболизм глюкозы

1.

БИОХИМИЯ И
МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ
Лекция 2.
Обмен углеводов.
Катаболизм глюкозы.

2. План лекции

Обмен углеводов
Расщепление углеводов в желудочнокишечном тракте.
Всасывание моносахаридов в тонком
кишечнике и их дальнейший транспорт.
Глюкозные транспортеры.
Пути катаболизма глюкозы. Гликолиз.
Внутриклеточная локализация процесса
Отдельные реакции гликолиза, их
характеристики.
Энергетический баланс гликолиза.
Регуляция гликолиза.
Спиртовое брожение.
Катаболизм глюкозы
2

3.

Обмен углеводов
Метаболизм (обмен) углеводов в организме
человека состоит в основном из следующих
процессов:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Расщепление в пищеварительном тракте
поступающих с пищей полисахаридов и
дисахаридов до моносахаридов. Всасывание
моносахаридов из кишечника в кровь.
Гликолиз.
Аэробный метаболизм пирувата.
Синтез и распад гликогена в тканях, прежде всего
в печени.
Аэробный путь прямого окисления глюкозы
(пентозофосфатный путь).
Глюконеогенез, или образование углеводов из
неуглеводных продуктов.
Обмен веществ и энергии в живых системах. Обмен углеводов

4.

Обмен углеводов
Пищевые углеводы
Полисахариды (крахмал, гликоген,
целлюлоза).
Олигосахариды.
Дисахариды (сахароза, лактоза,
мальтоза, трегалоза).
Моносахариды (глюкоза, манноза,
галактоза) – минимальное
количество .
Обмен веществ и энергии в живых системах. Обмен углеводов

5.

Расщепление углеводов в ЖКТ
Амилолитические ферменты
Амилолитические ферменты
(гликозидазы) относятся к классу
гидролаз.
Два типа ферментов необходимы для
расщепления углеводов: амилазы
(слюнная и панкреатическая) и
дисахаридазы (мальтаза, изомальтаза,
сахараза, лактаза, трегалаза).
Обмен веществ и энергии в живых системах. Обмен углеводов

6.

Расщепление углеводов в ЖКТ
α-Амилаза слюны
Локализация – ротовая полость.
Оптимум рН 6,7 (от 6,6 до 6,8).
Активируется ионами ClГидролизует α-1,4-гликозидные связи внутри
полисахаридной цепи (эндогликозидаза), не
расщепляет 1,6-связи.
Действие α-амилазы слюны останавливается
в желудке при снижении рН до 1,5 – 2,5.
Обмен веществ и энергии в живых системах. Обмен углеводов

7.

Расщепление углеводов
Панкреатическая α-амилаза
Оптимум рН 7,1.
Как и α-амилаза слюны,
активируется ионами ClГидролизует α-1,4-гликозидные
связи внутри полисахаридной
молекулы (эндогликозидаза), не
расщепляет 1,6-связи.
Обмен веществ и энергии в живых системах. Обмен углеводов

8.

Расщепление углеводов в ЖКТ
Продукты расщепления углеводов
панкреатической α-амилазой
Обмен веществ и энергии в живых системах. Обмен углеводов

9.

Расщепление углеводов в ЖКТ
Продукты расщепления углеводов
панкреатической α-амилазой
Обмен веществ и энергии в живых системах. Обмен углеводов

10.

Расщепление углеводов в ЖКТ
Расщепление углеводов в тонком
кишечнике
Полостное
пищеварение:
Пристеночное
пищеварение:
• Амилаза
• Основная масса
дисахаридаз
• Амило-1,6глюкозидаза и
олиго-1,6глюкозидаза
• Амилаза (небольшое
количество)
• Дисахаридазы
(небольшое
количество)
Обмен веществ и энергии в живых системах. Обмен углеводов

11.

Расщепление углеводов в ЖКТ
Дисахаридазы
Ферменты, расщепляющие гликозидные связи в
дисахаридах (дисахаридазы), образуют
ферментативные комплексы, локализованные на
наружной поверхности цитоплазматической
мембраны энтероцитов. Выделяют следующие
ферментативные комплексы:
1. Сахаразо-изомальтазный комплекс;
2. Гликоамилазный комплекс;
3. β-Гликозидазный комплекс (лактаза);
4. Трегалаза.
Обмен веществ и энергии в живых системах. Обмен углеводов

12.

Расщепление углеводов в ЖКТ
Сахаразо-изомальтазный
комплекс
1 – сахараза; 2 – изомальтаза; 3 – связывающий
домен; 4 – трансмембранный домен; 5 –
цитоплазматический домен
Обмен веществ и энергии в живых системах. Обмен углеводов

13.

Расщепление углеводов в ЖКТ
Сахаразо-изомальтазный
комплекс
Обмен веществ и энергии в живых системах. Обмен углеводов

14.

Расщепление углеводов в ЖКТ
Действие сахаразоизомальтазного комплекса
Действие сахаразоизомальтазного комплекса
на мальтозу и мальтотриозу
Действие сахаразоизомальтазного комплекса
на изомальтозу и
олигосахарид
Обмен веществ и энергии в живых системах. Обмен углеводов

15.

Расщепление углеводов в ЖКТ
Действие β-гликозидазного
комплекса (лактазы)
Обмен веществ и энергии в живых системах. Обмен углеводов

16.

Транспорт моносахаридов
Всасывание моносахаридов в
кишечнике
Всасывание моносахаридов из кишечника происходит
путём облегчённой диффузии с помощью специaльных
белков-переносчиков
(транспортёров).
Кроме
того,
гпюкоза и галактоза транспортируются в энтероцит
пyтём вторично-активного транспорта, зависимого от
градиента концентрации ионов натрия.
Белки-транспортёры, зависимые от гpaдиента Na+,
обеспечивают
всасывание
глюкозы
из
просвета
кишечника в энтероцит против градиента концентрации.
Концентрация Na+, необходимая для этого транспорта,
обеспечивается Na+,K+-АТФ-азой, которая работает как
насос, откачивая из клетки Na+ в обмен на К+. В отличие
от глюкозы, фруктоза транспортируется системой, не
зависящей от градиента натрия.
Обмен веществ и энергии в живых системах. Обмен углеводов

17.

Расщепление углеводов в ЖКТ
Обмен веществ и энергии в живых системах. Обмен углеводов

18.

Транспорт моносахаридов
Транспорт глюкозы из крови в клетки
Типы ГЛЮТ
Локализация в органах
ГЛЮТ-1
Преимущественно в мозге,
почках, толстом кишечнике
ГЛЮТ-2
Преимущественно в печени, почках,
β-клетках
островков
Лангерганса,
энтероцитах
ГЛЮТ-3
Во
многих
тканях,
плаценту, почки
ГЛЮТ-4
В
мышцах
(скелетной,
сердечной),
жировой ткани. Содержится в отсутствие
инсулина почти полностью в цитоплазме
ГЛЮТ-5
В
тонком
фруктозы
(инсулинзависимый)
плаценте,
включая
кишечнике.
мозг,
Переносчик
Обмен веществ и энергии в живых системах. Обмен углеводов

19.

Транспорт моносахаридов
Всасывание моносахаридов в
кишечнике
Обмен веществ и энергии в живых системах. Обмен углеводов

20. Гликолиз

Гликолиз – универсальный центральный
путь катаболизма глюкозы.
Катаболизм глюкозы
20

21. Гликолиз

В выяснении последовательности реакций
гликолиза большую роль внесли исследования
Густава Эмбдена, Отто Мейергофа и Якуба
Кароль Парнаса.
Гликолиз – сложный ферментативный
процесс
последовательного
расщепления
глюкозы, протекающий во всех клетках при
использовании кислорода (аэробный гликолиз)
или в его отсутствие (анаэробный гликолиз).
Катаболизм глюкозы
21

22. Гликолиз

Аэробный
гликолиз,
протекающий
в
присутствии кислорода, включает 10 реакций:
первые
5
из
которых
составляют
подготовительный этап, а 5 последующих –
этап, сопряженный с образованием АТР и
NADH.
Конечным
продуктом
аэробного
гликолиза является пировиноградная кислота.
Суммарное уравнение аэробного гликолиза :
Глюкоза + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi -> 2 пируват +
2NADH + 2Н+ + 2ATP + 2H2O
Катаболизм глюкозы
22

23. Гликолиз

Анаэробный гликолиз включает 11 реакций,
из которых 10 первых реакций – общие с
аэробным гликолизом.
11
реакция
–
образование
конечного
продукта анаэробного гликолиза - лактата или
молочной кислоты.
Суммарное уравнение анаэробного гликолиза:
Глюкоза + 2ADP + 2Pi -> 2 L-лактат + 2ATP + 2H2O
Катаболизм глюкозы
23

24. Пути катаболизма глюкозы

Катаболизм глюкозы
24

25. Гликолиз

Роль гликолиза
1. Извлечение из углеводов
энергии
и
аккумуляция
легкоиспользуемой форме – АТР.
свободной
ее
в
2. Образование в ходе гликолиза высоко
реакционноспособных
соединений.
Они
используются
в
разнообразных
метаболических реакциях.
Катаболизм глюкозы
25

26. Гликолиз

Пластическая роль гликолиза
Катаболизм глюкозы
26

27. Гликолиз

Роль гликолиза
В некоторых клетках и тканях млекопитающих
(эритроциты, мозговое вещество почки, головной
мозг,
сперма)
расщепление глюкозы
по
гликолитическому пути – единственный источник
метаболической энергии.
Некоторые ткани растений, служащие для
накопления крахмала (клубни картофеля), а
также ряд водных растений получают большую
часть необходимой им энергии в процессе
гликолиза;
многие
анаэробные
организмы
полностью зависят от гликолиза.
Катаболизм глюкозы
27

28. Пути катаболизма глюкозы

Расщепление
глюкозы
(6-углеродного
моносахарида) на
две молекулы
3-углеродного
соединения –
пирувата или
лактата
осуществляется в 2
этапа.
Катаболизм глюкозы
28

29. Гликолиз

Первый этап процесса – подготовительный.
Он включает 5 ферментативных реакций.
На
этом
этапе
для
активации
интермедиатов гликолиза затрачиваются
две молекулы АТР, а углеродная цепь
глюкозы превращается в глицеральдегид3-фосфат (2 молекулы).
Это, так называемая, «инвестиционная»
стадия.
Катаболизм глюкозы
29

30. Гликолиз

Второй этап – образование АТР. Последующие
5 реакций в аэробном гликолизе или 6 реакций в
анаэробном
гликолизе
превращают
две
молекулы
глицеральдегид-3-фосфата
в
две
молекулы пирувата, либо лактата.
При этом происходит высвобождение энергии,
часть которой запасается в виде 4 молекул АТР.
С учетом
двух молекул АТР, затраченных на
подготовительной стадии, общий выход АТР в
процессе гликолиза составляет 2 молекулы АТР
на одну молекулу расщепленной глюкозы.
Вторую стадию гликолиза называют стадией
окупаемости или «выплаты процентов»
Катаболизм глюкозы
30

31. Гликолиз

Первый этап гликолиза
Катаболизм глюкозы
31

32. Гликолиз

Второй этап гликолиза
Катаболизм глюкозы
32

33. Гликолиз

Отдельные реакции гликолиза
1 реакция гликолиза
Катаболизм глюкозы
33

34. Гликолиз

Гексокиназа и глюкокиназа
1) ГК фосфорилирует
не
только глюкозу, но и
другие гексозы ( Fru, Man,
Gal).
ГлК
–
только
глюкозу.
2) ГК присутствует во всех
тканях, ГлК – в печени и
поджелудочной железе.
3) ГК
обладает
высоким
сродством к глюкозе: Км
< 0,01 – 0,1 ммоль/л, Глк –
низким, Км = 10 ммоль/л.
4) ГК ингибируется глюкозо6-фосфатом, ГлК – нет.
Катаболизм глюкозы
34

35. Гликолиз

Отдельные реакции гликолиза
2 реакция гликолиза
Катаболизм глюкозы
35

36. Гликолиз

Отдельные реакции гликолиза
3 реакция гликолиза
Катаболизм глюкозы
36

37. Гликолиз

Отдельные реакции гликолиза
4 реакция гликолиза
Катаболизм глюкозы
37

38. Гликолиз

Отдельные реакции гликолиза
5 реакция гликолиза
Катаболизм глюкозы
38

39. Гликолиз

Отдельные реакции гликолиза
6 реакция гликолиза
Катаболизм глюкозы
39

40. Гликолиз

Отдельные реакции гликолиза
7 реакция гликолиза
Катаболизм глюкозы
40

41. Гликолиз

Отдельные реакции гликолиза
8 реакция гликолиза
Катаболизм глюкозы
41

42. Гликолиз

Отдельные реакции гликолиза
9 реакция гликолиза
Катаболизм глюкозы
42

43. Гликолиз

Отдельные реакции гликолиза
10 реакция гликолиза
Катаболизм глюкозы
43

44. Гликолиз

Отдельные реакции гликолиза
11 реакция гликолиза
Катаболизм глюкозы
44

45. Ферменты гликолиза, характеристики

Фермент
Шифр
Кофактор
Изменение
свободной
энергии
(ΔG′о,кДж/моль)
Гексокиназа
Фосфогексозоизомераза,
или глюкозоизомераза
КФ 2.7.1.1
КФ 5.3.1.9
Mg2+
−16,7
Mg2+
1,7
Фосфофруктокиназа-1
Альдолаза
Триозофосфатизомераза
Глицеральдегид-3фосфатдегидрогеназа
Фосфоглицераткиназа
Фосфоглицератмутаза
Енолаза
КФ 2.7.1.11
КФ 4.1.2.13
КФ 5.3.1.1.
Mg2+
КФ 1.2.1.12
NAD+
−14,2
23,8
7,5
6,3
КФ 2.7.2.3
КФ 5.4.2.1
КФ 4.2.1.11
Mg2+
Mg2+
Mg2+
Пируваткиназа
КФ 2.7.1.40
К+,Mg2+/Mn2+
Лактатдегидрогеназа
КФ 1.1.1.27
NADH
Анаэробный катаболизм углеводов
−18,8
4,6
7,5
−31,4
−25,1
45

46. Гликолиз

Характеристика гликолиза
• Гликолиз протекает во всех клетках и тканях,
ферменты гликолиза являются
конститутивными;
• локализован в цитозоле клетки;
• большинство реакций обратимо, за
исключением трех (реакций 1, 3, 10);
• все метаболиты находятся в
фосфорилированной форме;
• источником фосфатной группы в реакциях
фосфорилирования являются АТР (реакции 1,
3) или неорганический фосфат (реакция 6);
Катаболизм глюкозы
46

47. Гликолиз

Характеристика гликолиза
• образование АТР в анаэробном гликолизе
осуществляется
путем
субстратного
фосфорилирования.
Субстратным фосфорилированием называют
образование АТР из ADP и фосфата
неорганического
(Н3РО4),
когда
для
фосфорилирования используется энергия
макроэргической связи субстрата.
Катаболизм глюкозы
47

48. Гликолиз

Образование АТР путем субстратного
фосфорилирования
В процессе гликолиза в двух
реакциях, катализируемых
фосфоглицераткиназой и
пируваткиназой (реакции 7 и 10),
осуществляется субстратное
фосфорилирование.
1,3 – БФГ
Два высокоэнергетических
соединения содержат богатую
энергией макроэргическую
связь – это 1,3бисфосфоглицерат и
фосфоенолпируват.
Анаэробный катаболизм углеводов
ФЕП
48

49. Гликолиз

Для протекания гликолиза необходима регенерация
NAD+, акцептором водорода от NADH является пируват,
который восстанавливается в лактат
в реакции,
катализируемой лактатдегидрогеназой;
Катаболизм глюкозы
49

50. Гликолиз

Регуляция
гликолиза
Катаболизм глюкозы
50

51. Гликолиз

Регуляция
гликолиза
Регуляция осуществляется на
уровне гексокиназы,
фосфофрктокиназы-1 и
пируваткиназы, ферментов,
катализирующих необратимые
реакции в гликолизе.
Основным регуляторным и
лимитирующим скорость
гликолиза ферментом служит
ФФК-1.
Катаболизм глюкозы
51

52. Гликолиз

Вовлечение других углеводов в процесс
гликолиза
Катаболизм глюкозы
52

53. Спиртовое брожение

Суммарная реакция спиртового
брожения
1 реакция
2 реакция
Катаболизм глюкозы
53

54. Спиртовое брожение

Регенерация NAD+ в спиртовом брожении
Катаболизм глюкозы
54

55. Шунт Рапопорта-Люберинга

Образование 2,3-бисфосфоглицерата в шунте
Рапопорта-Люберинга
Катаболизм глюкозы
55

56.

Домашнее задание
1. Углеводы – классификация, номенклатура.
2. Моносахариды и их производные (структурные
формулы, свойства, биологическая роль).
3. Дисахариды восстанавливающие и
невосстанавливающие, примеры, структурные
формулы.
4. Полисахариды – структурные, резервные. Строение,
свойства, функции.
5. Переваривание углеводов в желудочно-кишечном
тракте.
6. Всасывание и транспорт моносахаридов.
Анаэробный катаболизм углеводов
56

57.

Литература
1. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия - 3-е изде, перераб. и доп. - М.: Медицина, 2008.
2. Биологическая химия: учеб пособие для студ. высш. учеб.
заведений / Под ред. Н.И. Ковалевской. – 3-е изд., испр. – М.:
Издательский центр «Академия», 2009.
3. Биохимия: Учебник / Под ред. Е.С.Северина. - М.:ГЭОТАРМЕД, 2005.
4. Биохимия. Краткий курс с упражнениями и задачами / Под
ред. Е.С. Северина, А.Я. Николаева. - М.:ГЭОТАР-МЕД, 2011.
5. Кольман Я., Рём К.-Г. Наглядная биохимия. – М.: Мир, 2000.
6. Биохимия и молекулярная биология. Версия 1.0
[Электронный ресурс]: электрон. учеб.-метод. комплекс / Н.М.
Титова, А. А. Савченко, Т.Н.Замай и др. – Электрон. дан. (172
Мб). - Красноярск: ИПК СФУ, 2008.
Анаэробный катаболизм углеводов
57