Обмен углеводов. Строение и значение углеводов.

Углеводами называют органические соединения, состоящие из углерода, водорода и кислорода. Углеводы можно представить формулой C_mH_2nO_n.

Углеводы выполняют в организме человека различные функции. Они являются основным энергетическим материалом. Потребность организма взрослого человека в энергии удовлетворяется главным образом за счет распада углеводов.

Входя в состав различных субклеточных структур, участвуя в формировании клеточных мембран, углеводы выполняют пластическую функцию. Углеводы входят в состав РНК и ДНК, имея тем самым непосредственное отношение к процессам синтеза белка. Некоторые углеводы (гиалуроновая кислота), входя в состав межклеточного вещества, регулируют распределение воды, солей и различных органических соединений между внутренней и внешней средой клетки. Гепарин, образующийся в печени, препятствует свертыванию крови. Многие гормоны, иммунные тела являются гликопротеидами.

Различают простые углеводы, которые называют моносахаридами или монозами, и сложные, которые подразделяются на олигосахариды и полисахариды, или полиозы. Из моносахаридов особо большое значение имеют глюкоза (виноградный сахар); галактоза, фруктоза (фруктовый сахар), манноза и рибоза. Четыре первые монозы имеют формулу C₆H₁₂O₆. Рибоза относится к пентозам, которые содержат пять углеродных атомов, и ее формула C₅H₁₀O₅. Все монозы входят в состав сложных углеводов, иногда они образуют комплексы с белками. Некоторые из них встречаются в свободном виде. Так, фруктоза входит в состав меда, глюкоза встречается в свободном состоянии во фруктах, в меде.

Олигосахаридами называют углеводы, состоящие из небольшого числа остатков моносахаридов (до 9). Если олигосахарид состоит из остатков двух моноз, его называют дисахаридом. Различают следующие виды дисахаридов: солодовый - мальтоза, молочный - лактоза и тростниковый или свекловичный - сахароза. Их формула C₁₂H₂₂O₁₁. Солодовый сахар при гидролизе дает две молекулы глюкозы, молочный - глюкозу и галактозу, а сахароза - глюкозу и фруктозу.

Полисахариды содержат сотни и тысячи остатков моноз. Наибольшее значение из полисахаридов имеют крахмал, гликоген и клетчатка. Их состав отражается в формуле (C₆H₁₀O₅)_n. Крахмал - главный запасный полисахарид у растений, гликоген - у животных, в связи с чем его называют еще животным крахмалом. Клетчатка - главный структурный компонент растений. Молекулярная масса полисахаридов велика. Так, гликоген печени состоит из 30 000 остатков глюкозы. Молекула его образует длинные разветвленные цепи, напоминающие форму куста. Молекулярная масса его может достигать 50x10⁶.

Превращения углеводов в организме.

В растительных организмах синтез углеводов осуществляется путем восстановления углекислого газа атмосферы. Большинство животных организмов используют готовые органические соединения, относящиеся к группе углеводов. Последние в пищеварительном тракте расщепляются до моноз, которые, всасываясь в тонком кишечнике, с током крови приносятся к печени. В ней происходит синтез гликогена, для которого печень является депо. Избыток глюкозы поступает в общий круг кровообращения и разносится по всему организму. По мере надобности глюкоза "извлекается" из крови различные клетками организма, в которых осуществляются ее дальнейшие превращения: синтез гликогена (например в мышцах) и распад как гликогена, так и глюкозы. Распад углеводов может протекать в анаэробных условиях, т.е. при отсутствии кислорода или при малом его количестве, и в аэробных, т.е. при наличии кислорода. Процесс распада гликогена в анаэробных условиях получил название гликогенолиза, а глюкозы - гликолиза. При аэробном и анаэробном распаде процесс идет одинаково до стадии образования пировиноградной кислоты. При анаэробных условиях она превращается в молочную кислоту и процесс распада углеводов на этом заканчивается. Молочная кислота, следовательно, в этом случае является конечным продуктом углеводного обмена. При аэробном обмене конечными продуктами обмена углеводов являются CO₂ и H₂O.

Если меняются условия и в ткани начинает поступать кислород, то 1/5-1/6 всего количества молочной кислоты, возникшей вследствие гликогенолиза, после ряда превращений также дает CO₂ и H₂O. Освобождающаяся при этом энергия идет на ресинтез гликогена из оставшихся 4/5-5/6 молочной кислоты, не подвергшейся распаду.

Для распада моносахаридов обязательным является их предварительное фосфорилирование - присоединение остатка фосфорной кислоты, которая переносится с АТФ. После фосфорилирования глюкоза подвергается многочисленным превращениям, в процессе которых выделяется энергия, используемая для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата. При гликолизе чистый выход АТФ составляет 2 молекулы на 1 молекулу глюкозы.

При аэробном распаде образуется значительно большее число молекул АТФ. Известно, что АТФ относится к числу макроэргических фосфатов, для которых характерно наличие макроэргических связей. Последними называют связи, при разрыве которых образуется большое количество энергии. АТФ дает 37 800 кдж/моль. Процесс образования АТФ из АДФ и неорганического фосфата, активируемого за счет энергии при окислении органических соединений, называют окислительным фосфорилированием. Он протекает в митохондриях, в их элементарных частицах - гранулах, расположенных на кристах. Каждая гранула вместе с прилежащим участком мембраны митохондрии составляет "систему сопряжения", которая осуществляет всю серию метаболических реакций, связанных с образованием макроэргических связей АТФ. Следовательно, каждая гранула имеет полный набор ферментов, необходимых для этих реакций. Ферменты расположены в определенном порядке, что обеспечивает строгую последовательность протекания реакций, в результате которых пополняется и запасается в организме энергия в виде макроэргических связей АТФ. Энергия, аккумулированная в макроэргических связях АТФ, может быть использована клетками. Отсюда понятно, что в энергетическом отношении для организма более выгоден аэробный путь расщепления углеводов, при котором образуется большее количество молекул АТФ. Анаэробный путь распада углеводов приобретает для организма особое значение, когда по той или иной причине имеет место недостаточное снабжение тканей кислородом.