Клетки большинства растений обладают прочными наружными стенками из целлюлозы - нерастворимого полисахарида, молекула которого, как и молекула крахмала, составлена из множества молекул глюкозы. Однако в молекуле крахмала последовательные молекулы глюкозы соединены a-гликозидными связями, а в молекуле целлюлозы они соединены b-гликозидными связями и не расщепляются ферментами, переваривающими крахмал.

В клетке углеводы играют роль легко мобилизуемого “топлива” для снабжения метаболических процессов энергией. Глюкоза в конечном счете расщепляется до углекислоты и воды с выделением энергии. Некоторые углеводы, соединяясь с белками и липидами образуют структурные компоненты клеток и их оболочек. Рибоза и дезоксирибоза, сахара, содержащие по 5 атомов углерода входят в состав рибонуклеиновой (РНК) и дезоксирибонуклеиновой (ДНК) кислот.

Углеводный обмен в организме человека складывается в основном из следующих процессов:

1. Расщепление в желудочно-кишечном тракте до моносахаридов, поступающих с пищей ди- и поли- сахаридов. Всасывание в кровь в кишечнике.

2. Синтез и распад гликогена (печень).

3. Анаэробное расщепление глюкозы: гликолиз - без потребления кислорода.

4. Взаимопревращение гексоз.

5. Аэробный метаболизм пирувата- с потреблением кислорода, цикл Кребса.

6. Глюконеогенез - образование углеводов из неуглеводных продуктов.

Рассмотрим этапы углеводного обмена.

До 90% всосавшихся моносахаридов (глюкоза главным образом) через капилляры кишечных ворсинок попадают в кровеносную систему и с током крови через воротную вену доставляются в печень, остальное количество моносахаридов поступает по лимфатическим путям в венозную систему. В печени глюкоза превращается в гликоген. Благодаря способности к отложению гликогена создаются условия для накопления в норме некоторого резерва углеводов. При повышении энергетических затрат в организме в результате возбуждения ЦНС обычно происходит усиление распада гликогена и образование глюкозы.

При недостатке кислорода углеводы распадаются по анаэробному типу, а при насыщении кислородом – по аэробному.

Гликолиз- расщепление глюкозы без потребления кислорода, сложный ферментативный процесс, протекающий в тканях человека и животных. В результате глюкоза превращается в молочную кислоту с образованием богатых энергией фосфорных соединений – АТФ.

глюкоза+2 АТФ+2 Фн ® молочная кислота+2 АТФ+2 Н2О

Процесс гликолиза катализируется 11 ферментами и протекает в цитоплазме клетки. Биологическое значение гликолиза - образование богатых энергией фосфорных соединений.

В первой стадии гликолиза затрачивается 2 молекулы АТФ (1 и3 реакции)

Во второй стадии образуются 4 молекулы АТФ (фосфоглицераткиназная и пируваткиназная реакции),

Таким образом, энергетическая эффективность гликолиза составляет 2 молекулы АТФ на 1 молекулу глюкозы, изменение свободной энергии при расщеплении 1 молекулы глюкозы

глюкоза®молочная кислота + 210 кДж/моль

к.п.д. составляет около 0,4

В процессе гликолиза ряд последовательных реакций начинается с «активации» глюкозы. Взаимодействие глюкозы с АТФ, в результате которого образуется глюкозо-6-фосфат и АДФ, катализируется ферментом гексокиназой. При этом переносится только концевая фосфатная группа аденозинтрифосфата и остается аденозиндифосфат (АДФ). После этой подготовительной реакции происходит перестройка молекулы с образованием фруктозо-6-фосфата, затем - перенос второй фосфатной группы с образованием фруктозо-1,6-дифосфата (фруктоза с фосфатными группами при 1 и 6 атомах углерода) и АДФ. Фруктозо-1,6-дифосфат, расщепляется ферментом альдолазой на два трехуглеродных сахара: 3-фосфоглицериновый альдегид и диоксиацетонфосфат, которые могут превращаться друг в друга под влиянием фермента триозофосфатизомеразы.

3-фосфоглицериновый альдегид реагирует с соединением, содержащим SH-группу, при этом образуется группировка, способная отдавать водород молекуле НАД. Продукт этой реакции - фосфоглицериновая кислота, связанная с SH-группой фермента, затем реагирует с неорганическим фосфатом, образуя 1,3-дифосфоглицериновую кислоту и свободный фермент с SH-группой. Другой продукт - 3-фосфоглицериновая кислота превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту, после чего происходит образование макроэргического фосфата путем отщепления молекулы воды (дегидратация).

Продукт этой реакции - фосфопировиноградная кислота - может отдавать свою фосфатную группу молекуле АДФ с образованием АТФ и свободной пировиноградной кислоты. Это вторая макроэргическая фосфатная связь, образовавшаяся на уровне субстрата при превращении глюкозы в пировиноградную кислоту. Из каждой молекулы глюкозы образуются по 2 молекулы 3-фосфоглицеринового альдегида и таким образом, в процессе превращения глюкозы в пировиноградную кислоту образуются 4 макроэргические связи. Однако две из них используются в самом этом процессе. Поэтому в конечном итоге мы получаем 2 макроэргические связи.

1) глюкоза +АТФ®глюкозо-6-фосфат+АДФ

(фосфорилирование) гексокиназа, Мg2+

2) глюкозо-6-фосфат®фруктозо-6-фосфат глюкозофосфатизомераза

3) фруктозо-6-фостат+АТФ®фруктозо-1,6-дифосфат+АТФ

Мg2+ , фосфофруктокиназа

4)фруктозо-1,6-дифосфат®дигидроксиацетонфосфат+

3-фосфоглицериновый альдегид, альдолаза

5) изомеризация триозофосфатов

дигидроксиацетонфосфат®3-фосфоглицериновый альдегид

триозофосфатизомераза

6)3-фосфоглицериновый альдегид+НАД+Н3РО4® 1,3дифосфоглицериновая кислота, глицеральдегидфосфатдегидрогеназа

7) 1,3-дифосфоглицериновая кислота+АДФ®3-фосфоглицериновая кислота+АТФ, фосфоглицераткиназа

8) 3-фосфоглицериновая кислота®2-фосфоглицериновая кислота, фосфоглицеромутаза

9) 2-фосфоглицериновая кислота®фосфопировиноградная кислота, энолаза

10)фосфопировиноградная кислота+АДФ®пировиноградная кислота+АТФ, пируваткиназа

11) пировиноградная кислота+НАДН2®молочная кислота +НАД, лактатдегидрогеназа

1 и 3 реакции лимитируют (определяют) скорость гликолиза, ингибируются АТФ.

В анаэробных условиях, в отсутствие кислорода, служащего конечным акцептором электронов, реакции переноса электронов прекращаются, как только все промежуточные акцепторы перейдут в восстановленное состояние, “приняв” все возможное количество электронов. Метаболизм глюкозы в этих условиях ведет к накоплению пировиноградной кислоты, которая принимает атомы водорода от восстановленных пиридиннуклеотидов с образованием молочной кислоты и окисленного НАД+, эту реакцию катализирует лактатдегидрогеназа, действующая в обратном направлении.

В результате превращения глюкозы в молочную кислоту образуются 2 макроэргические фосфатные связи и таким путем клетки даже в отсутствие кислорода могут получать небольшое количество энергии.

В клетках дрожжей пировиноградная кислота превращается в ацетальдегид, который может принимать атомы водорода от восстановленного НАДН с образованием НАД+ и этилового спирта.

Синтез гликогена из глюкозы протекает в несколько этапов.