Основные углеводы животных и их биологическая роль

Углеводы очень широко распространены в природе, особенно в растительном мире, где составляют 70-80% массы сухого вещества клеток. В животном организме на их долю приходится всего около 2% массы тела, однако и здесь их роль не менее важна.

Рассмотрим основные функции углеводов

1.Энергетическая функция. Углеводы являются одним из основных источников энергии для организма, обеспечивая не менее 60% энергозатрат. Для деятельности мозга, клеток крови, мозгового вещества почек практически вся энергия поставляется за счет окисления глюкозы. Углеводы способны окисляться с образованием АТФ в анаэробных условиях, что отличает их от других питательных веществ.

2.Структурная функция.

Во всех клетках организма обнаруживаются углеводы и их производные. Они входят в состав биологических мембран и органелл клетки, участвуют в образовании ферментов, нуклеиновых кислот, гликопротеинов, протеогликанов.

3.Защитная функция. Вязкие секреты (слизь), выделяемые различными железами, богаты углеводами и их производными (мукополисахаридами и др.) Они защищают внутренние стенки полых органов ЖКТ, воздухоносных путей и др., от механических и химических воздействий, проникновения патогенных микробов.

4.Регуляторная функция. Пища человека содержит значительное количество клетчатки, грубая структура которой вызывает механическое раздражение слизистой оболочки желудка и кишечника, стимулируя, таким образом, перистальтику кишечника. Кроме того, многие растительные углеводы способны удерживать воду и таким образом, увеличивая объем каловых масс, способствуют его опорожнению.

5.Резервная функция. Углеводы способны откладываться в виде гликогена. Эти запасы расходуются по мере надобности. В организме человека углеводы откладываются в основном в печени и мышцах, которые являются его депо. Так, в печени гликоген может накапливаться до 6 %, а в мышцах до 1% массы ткани. Гликоген используется в промежутках между приемами пищи и во время выполнения физической работы.

6.Специфические функции. Углеводсодержащие соединения служат маркерами в процессах узнавания молекулами друг друга, определяют антигенную специфичность, обусловливают различие групп крови. Некоторые углеводсодержащие полимеры являются рецепторами для связывания различных токсинов, бактериальных клеток, вирусов, гормонов. Гепарин является физиологическим антикоагулянтом. Некоторые углеводы являются витаминами (витамин С), антибиотиками (стрептомицин), выполняют другие специфические функции.

К основным углеводам тканей человека относятся:

из полисахаридов - гликоген, глюкозамингликаны

из дисахаридов - лактоза

из моносахаридов- глюкоза, фруктоза, галактоза, рибоза, дезоксирибоза

из нуклеозиддифосфат-сахаров - УДФ-глюкоза, УДФ-галактоза, УДФ-глюкуроновая кислота.

П Е Р Е В А Р И В А Н И Е У Г Л Е В О Д О В. Переваривание углеводов пищи заключается в ферментативном гидролитическом расщеплении поли- и дисахаридов до моносахаридов. Организм человека не вырабатывает ферментов, способных расщеплять клетчатку.

Переваривание углеводов начинается в ротовой полости под действием a-амилазы слюны. Крахмал частично расщепляется до декстринов и мальтозы. Этот процесс не играет важной роли в организме из-за кратковременности действия фермента на полисахариды.

В желудке вследствие отсутствия собственных гликозидаз переваривание углеводов под действием a-амилазы слюны возможно только в глубине пищевого комка.

Основное переваривание крахмала и гликогена происходит в просвете кишечника (полостное переваривание) под действием a-амилазы поджелудочной железы с образованием мальтозы, а дисахаридов на ворсинках эпителия слизистой кишечника (мембранное пищеварение).

Н₂О

Мальтоза _- Глюкоза + глюкоза

мальтаза

Н₂О

Сахароза Глюкоза + Фруктоза

сахараза

Н₂О

Лактоза Глюкоза + Галактоза

лактаза

Гликоген, строение, биороль, синтез, мобилизация. Строение. Гликоген - главная форма запасания углеводов у животных, в растениях эту функцию выполняет крахмал. Наибольшие запасы гликогена имеются в печени (до 6% массы печени или 80-110 г.) и в мышцах (до 1% мышечной массы или 350 г.). Продолжительность использования гликогена зависит от степени физической активности. В покое запас гликогена расходуется примерно за 18-20 часов, при выполнении физической работы за 2-4 часа. Практически не имеют гликогена клетки нервной ткани. Они целиком зависят от циркулирующей в крови глюкозы.

Гликоген представляет собой разветвленный гомополисахарид, построенный из сотен тысяч остатков Д-глюкозы, соединенных в полисахаридные цепи.

Биороль. Функции гликогена печени и других органов существенно отличаются. Гликоген мышц является легкодоступным источником глюкозы, которая используется в самой мышце для покрытия энергетических нужд. Гликоген печени используется главным образом для поддержания физиологических концентраций глюкозы в крови в промежутках между приемами пищи.

Биосинтез. Синтез гликогена происходит в два этапа. Первый этап это образование активной формы глюкозы, второй этап наращивание цепей ² затравочного² гликогена. В ходе реакций первого этапа глюкоза сначала фосфорилируется за счет фосфатной группы АТФ с образованием гюкозо-6-фосфата. Реакция обеспечивает захват глюкозы из кровотока так как фосфорилированная глюкоза не может покинуть клетку. Затем с участием УТФ происходит образование активной формы глюкозы – УДФ-глюкозы. На втором этапе под действием фермента гликогенсинтазы глюкоза из состава УДФ-глюкозы присоединяется к остаточному количеству гликогена.

Распад гликогена происходит под действием фермента гликогенфосфорилазы, катализирующего фосфоролитическое отщепление остатка глюкозы с образованием фосфорилированной формы глюкозы. При интенсивной мобилизации гликогена образующий глюкозо-6-фосфат подавляет фосфорилирование свободной глюкозы и таким образом ограничивается использование глюкозы крови.

АНАЭРОБНЫЕ ПУТИ ПРЕВРАЩЕНИЯ УГЛЕВОДОВ. ГЛИКОЛИЗ. Гликолиз или молочнокислое брожение - анаэробный распад глюкозы до лактата ради энергии. Гликолиз является наиболее древним биохимическим процессом, так как первичная атмосфера земли не содержала кислорода.

Совершается в тканях животных в условиях кислородной недостаточности. В эритроцитах, где отсутствуют митохондрии, гликолиз является единственным процессом обеспечивающим образование АТФ. Высокая интенсивность гликолитического распада углеводов отмечается в эмбриональной и опухолевой ткани. В мышцах этот процесс активен при выполнении ими работы. Причем наиболее высокая активность гликолиза отмечается вначале работы, так как система циркуляции не может увеличить подачу кислорода к работающей мышце одновременно с началом сокращения. Кроме того высокая активность процесса имеет место при выполнении работы субмаксимальной мощности. Гликолиз более активен в мышечных волокнах 2 типа (быстросокращающихся). Гликолиз представляет собой линейную последовательность 11 реакций, протекающих в цитозоле клеток. Гликолиз состоит из двух этапов: первый этап является подготовительным, в ходе которого глюкоза дважды фосфорилируется и подвергается расщеплению с образованием двух молекул глицеральдегид-3-фосфата. Фосфорилирование глюкозы требует расхода 2 молекул АТФ.

Второй этап это гликолитическая оксидоредукция. В ходе реакций этого этапа происходят реакции, приводящие к накоплению в метаболитах энергии в виде макроэргических связей, за счет разрыва которых происходит образование 4 молекул АТФ. Таким образом энергетическая ценность гликолиза составляет 2 АТФ на каждую молекулу глюкозы.

Конечным продуктом гликолиза является молочная кислота. Накопление молочной кислоты в мышцах приводит к снижению величины рН до 6, 5 и ниже (в норме рН=7, 1). Это является причиной снижения активности ферментов гликолиза и уменьшения скорости ресинтеза АТФ. Раздражение нервных окончаний лактатом вызывает болевые ощущения во время выполнения интенсивной работы. В восстановительный период лактат утилизируется в печени в процессе глюконеогенеза. В течение 1-1, 5 часа печень способна превратить лактат в глюкозу. Если после интенсивной нагрузки выполняется работа умеренной мощности часть лактата может окисляться в мышцах или сердце, что является важным фактором ускорения устранения лактат крови.

В гликолизе могут использоваться глюкозные остатки, запасенные в молекулах гликогена. Именно мобилизациия гликогена является основным источником глюкозы для гликолиза. В этом случае процесс называется гликогенолизом. Гликогенолиз отличается двумя первыми реакциями, направленными на отщепление глюкозы от гликогена. При этом фосфорилирование глюкозы требует лишь одной молекулы АТФ, поэтому энергетическая ценность процесса составляет 3 АТФ.

В энергетическом отношении путь малоэффективен, но в то же время это единственный путь дающий энергию в анаэробных условиях.

Пластическое значение гликолитической цепи заключается в том, что некоторые метаболиты могут использоваться в реакциях синтеза. Например, дигидроксиацетонфосфат – на синтез липидов, пируват на образование аланина.

Гликолитическая цепь до стадии образования пирувата представляет собой первый этап дихотомического распада углеводов.

Рекомендуемая литература