Обмен углеводов в организме человека

Обмен углеводов занимает центральное место в обмене веществ и энергии. Сложные уг­леводы пищи подвергаются расщеплениюв процессе пищеварения до моносахаридов, в основном глюкозы. Моносахариды всасываются из ки­шечника в кровь и доставляются в печень и другие ткани, где включают­ся в промежуточный обмен. Часть поступившей глюкозы в печени и скелетных мышцах откладывается в виде гликогена либо используется для других пластических процессов. При избыточном поступлении углеводов с пищей они могут превращаться в жиры и белки. Другая часть глюко­зы подвергается окислению с образованием АТФ и выделением тепло­вой энергии. В тканях возможны два основных механизмаокисления углеводов — без участия кислорода (анаэробно) и с его участием (аэробно).

Анаэробное окисление глюкозыкоторое называется гликолизом, включает реакции постепенного превращения ее молекулы в пировиноградную кислоту, а затем при недостаточности кислорода в тканях — в молочную кислоту. Этот процесс сопровождается образованием АТФ и вы­делением тепловой энергии. Гликолиз протекает преимущественно в ске­летных мышцах при интенсивных физических нагрузках или в условиях гипоксии. Образовавшаяся молочная кислота из мышц поступает в кровь, доставляется в печень, где аэробно окисляется или используется для новообразования глюкозы.

Аэробное окисление глюкозы — многостадийный процесс распада ее молекулы до конечных продуктов метаболизма СО₂ и Н₂О с высвобожде­нием энергии. Это основной механизм энергообразования во многих тка­нях, особенно в мозге, для которого глюкоза является главным энергети­ческим субстратом.

Расшепление углеводов в процессе пищеварения

И их всасывание в кровь

Расщепление сложных углеводов пищи начинается в ротовой полости под действием ферментов амилазы и мальтазы слюны. Оптимальная активность этих ферментов проявляется в щелочной среде. Амилаза рас­щепляет крахмал и гликоген, а мальтаза – мальтозу. При этом образуют­ся более низкомолекулярные углеводы – декстрины, частично – мальтоза и глюкоза.

В желудке расщепление углеводов пищи не происходит, так как отсут­ствуют специфические ферменты гидролиза углеводов, а кислая среда же­лудочного сока (<рН 1,5-2,5) подавляет активность ферментов слюны. В тонком кишечнике происходит основной распад углеводов пищи. В две­надцатиперстной кишке под действием фермента амилазы сока поджелу­дочной железы сложные углеводы постепенно расщепляются до дисахаридов. Далее дисахариды расщепляются под действием высокоспецифических ферментов мальтазы, сахараз.

В организм человека поступает большое количество клетчатки (целлю­лозы). В тонком кишечнике она не расщепляется, так как отсутствуют фер­менты, необходимые для ее гидролиза. Частичное расщепление клетчатки происходит до целлобиозы и глюкозы в толстом кишечнике под действи­ем бактериальных ферментов. Образовавшиеся углеводы используются микроорганизмами для своей жизнедеятельности. Микроорганизмы также используют клетчатку для биосинтеза витаминов К, В₁₂, фолиевой кисло­ты. Нерасщепившаяся целлюлоза выводится из организма.

Всасывание образовавшихся моносахаридов (глюкозы, фруктозы) стенками тонкого кишечника и поступление их в кровь происходит путем активного транспорта с участием белка-переносчика, градиента Na⁺ и АТФ. Ионы Na⁺ активируют АТФ-азу, которая ускоряет распад АТФ и освобождение энергии, необходимой для проникновения этих моносаха­ридов через стенки кишечника. Всасывание других моносахаридов осу­ществляется посредством пассивной диффузии, так как их содержание в крови низкое. Скорость всасывания отдельных моносахаридов неодинакова.

 

Внутриклеточный обмен углеводов

Внутриклеточный обмен углеводов включает процессы синтеза и распада гликогена в скелетных мышцах и печени, распад и окисление глюкозы с высвобождением энергии и новообразование глюкозы из веществ неугле­водной природы.

Избыточное количество глюкозы, поступившей с кровью, откладывается про запас главным образом в печени и скелетных мышцах. Синтез и накопление гликогена называется депонированием углеводов. Гликоген является основным углеводным энергетическим резервом организма. От запасов его в скелетных мышцах и печени зависит длительность выполне­ния мышечной работы, поэтому в практике спорта используются специаль­ные методы накопления гликогена в тканях.

Гликолиз

Извлечение метаболической энергии из углеводов происходит почти во всех клетках организма человека и включает две основные фазы — бескислородное (анаэробное) окисление, которое протекает в цитозоле преимущественно скелетных мышц и называется гликолизом, и кислородное (аэробное) окисление, протекающее в митохондриях на ферментах цикла лимонной кислоты и дыхательной цепи.

Гликолиз — это постепенный распад молекулы глюкозы или гликогена (гликогенолиз) до двух молекул пировинограднои кислоты, которая в анаэробных условиях превращается в молочную кислоту. Он включает десять химических реакций, представленных на рисунке. Этот процесс можно разделить на две основные стадии — подготовительную и окислительную. В подготовительной стадии молекула глюкозы постепенно распадается до двух молекул 3-фосфоглицеринового альдегида, при этом используется две молекулы АТФ. В окислительной стадии происходит дальнейшее их окисление с образованием пирувата и четырех молекул АТФ. Начинается гликолиз с активации молекулы глюкозы в присутствии АТФ с образованием глюкозо-6-фосфата или фосфоролиза гликогена с отщеплением глюкозо-1-фосфата.

Далее глюкозо-6-фосфат превращается в фруктозо-6-фосфат с участием фермента глюкозофосфатизомеразы. Фруктозо-6-фосфат фосфорилируется с использованием энергии АТФ, в результате чего об­разуется фруктозо-1,6-дифосфат. Реакция катализируется ферментом фосфофруктокиназой (ФФК).

Фосфофруктокиназа является ключевым аллостерическим ферментом, регулирующим скорость гликолиза. Его активность зависит от концентра­ции АТФ и других метаболитов (молочной кислоты, цитрата), которые вли­яют на его активность. Так, в мышцах в состоянии покоя концентрация АТФ относительно высокая и процесс гликолиза не активен. Во время работы мышцы интенсивно расходуется АТФ, что повышает активность ФФК и приводит к усилению гликолиза. Однако накопление молочной кислоты — конечного продукта анаэробного гликолиза — ингибирует этот фермент и скорость гликолиза.

Первый этап гликолиза завершает реакция расщепления фруктозо-1,6-дифосфата на две триозы — фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиацетон под воздействием фермента альдолазы. Образовавшиеся триозы являются изомерами и способны взаимопревращаться. В после­дующие реакции гликолиза вступают две молекулы 3-фосфоглицеринового альдегида.

Окислительная стадия начинается с окисления 3-фосфоглицериново­го альдегида при участии дегидрогеназы, содержащей кофермент НАД, и фосфорной кислоты. Кофермент НАД в этой реакции присоединяет водо­род и превращается в НАДН₂. В аэробных условиях НАДН₂ может пере­дать водород на кислород с образованием АТФ. Образовавшаяся 1,3-дифосфоглицериновая кислота содержит макроэргетическую связь и способна вступить в реакцию перефосфорилирования с АДФ, ведущую к образованию АТФ и 3-фосфоглицериновой кислоты. Такой процесс обра­зования АТФ называется субстратным фосфорилированием. Он катализи­руется ферментом фосфоглицераткиназой.

З-Фосфоглицериновая кислота под влиянием фермента фосфоглицеромутазы превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту. Последняя при участии фермента энолазы теряет молекулу воды и превращается в фоэнолпировиноградную кислоту. В результате внутримолекулярного окислительно-восстановительного процесса у второго углеродного атома этой кислоты образуется макроэргическая связь, при разрыве которой с участием фермента пируваткиназы происходит перенос фосфорного ос­татка от фосфоэнолпировиноградной кислоты на АДФ (второе субстрат­ное фосфорилирование), а также образование двух молекул пировиноградной кислоты и двух молекул АТФ.

Гликолиз в анаэробных условиях завершается реакцией восстановле­ния пировиноградной кислоты до молочной под воздействием фермента лактатдегидрогеназы. Источником водорода служат молекулы НАДН₂, об­разующиеся при окислении 3-фосфоглицеринового альдегида. Таким об­разом, конечным продуктом анаэробного гликолиза является молочная кислота. В аэробных условиях пировиноградная кислота не превращает­ся в молочную и окисляется далее в цикле лимонной кислоты до конеч­ных продуктов обмена.

В процессе гликолиза постепенно высвобождается 196 кДж энергии. Большая часть ее рассеивается в виде тепла (135 кДж), а меньшая — накапливается в макроэргических связях двух молекул АТФ. Эффектив­ность запасания энергии в форме АТФ при гликолизе составляет 40%. Основная часть энергии, аккумулированной в молекуле глюкозы (2880 кДж), остается в продукте гликолиза — двух молекулах молочной кислоты и может высвобождаться только при их аэробном окислении. В гликолизе образуются многие вещества, необходимые для пластических процессов в клетках. Особенно много при этом накапливается молочной кислоты, которая быстро диффундирует из скелетных мышц в кровь и вли­яет на кислотно-основное состояние организма. Уровень молочной кисло­ты в крови только до некоторой степени отражает интенсивность гликоли­за в мышцах, поскольку кислота частично метаболизирует в них. В норме концентрация молочной кислоты в крови находится в пределах 1— 1,5 ммоль/ л.

Молочная кислота в водной среде диссоциирует на протон водорода (Н⁺) и анион кислотного остатка.

Анион кислотного остатка молочной кислоты в водной среде способен взаимодействовать с катионами металлов (Na⁺, K⁺) и образовывать соли — лактаты. Поэтому часто молочную кислоту называют лактат.

Гликолиз и гликогенолиз играют важную роль при мышечной деятель­ности анаэробного характера. Они обеспечивают энергией интенсивную работу в пределах от 30 с до 2—5 мин.

Молочная кислота образуется в мышцах с наибольшей скоростью в те­чение 40—45 сек. интенсивной физической нагрузки за счет максимального включения анаэробного гликолиза. Уровень молочной кислоты при этом повышается в 4—5 раз и после напряженной работы в течение 1—5 мин может достигать 10 ммоль • л^-1 и более. Это приводит к закислению сре­ды организма (ацидозу). Если емкость буферных систем исчерпывается, рН крови может изменяться от 7,34 до 7,0 или даже 6,8 при истощающих нагрузках. Такое закисление среды организма влияет на функции нервной системы и скелетных мышц, приводит к снижению работоспособности и развитию утомления. Поскольку концентрация молочной кислоты в крови зависит от интенсивности гликолиза в мышцах, а последний – от интенсив­ности выполняемых физических нагрузок и уровня тренированности орга­низма, показатель содержания молочной кислоты в крови широко исполь­зуется в биохимическом контроле функционального состояния спортсмена.

После прекращения работы около 55—70 % молочной кислоты исполь­зуется тканями, в том числе мышцами, как источник энергии, около 5-7 % выводится с мочой, а остальная часть используется в печени для новооб­разования глюкозы и восполнения гликогена в мышцах. Выведение молоч­ной кислоты из мышц, ее окисление после прекращения работы ускоряет­ся при активном отдыхе.