Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Углеводный обмен - это совокупность биохимических процессов, ответственных за метаболическое образование , распад и взаимное превращение углеводов в живых организмах .

Углеводы играют центральную роль во многих основных метаболических путях . [1] В процессе фотосинтеза растения синтезируют углеводы из углекислого газа и воды , что позволяет им накапливать энергию, поглощаемую солнечным светом, внутри. [2] Когда животные и грибы потребляют растения, они используют клеточное дыхание, чтобы расщепить накопленные углеводы и сделать энергию доступной для клеток. [2] И животные, и растения временно накапливают высвободившуюся энергию в виде высокоэнергетических молекул, таких как АТФ , для использования в различных клеточных процессах. [3]

Люди могут потреблять самые разные углеводы, пищеварение расщепляет сложные углеводы на несколько простых мономеров ( моносахаридов ) для метаболизма: глюкозу , фруктозу , маннозу и галактозу . [4] Глюкоза распределяется по клеткам тканей, где она расщепляется или хранится в виде гликогена . [3] [4] При аэробном дыхании глюкоза и кислород метаболизируются с выделением энергии, а конечными продуктами являются углекислый газ и вода . [2]Большая часть фруктозы и галактозы попадает в печень , где они могут превращаться в глюкозу и жир. [4]

Некоторые простые углеводы имеют свои собственные пути ферментативного окисления , как и только некоторые из более сложных углеводов. Дисахарид лактоза , например, требует фермент лактазы , чтобы разбить на его моносахаридные компонентах, глюкозу и галактозу. [5]

Метаболические пути [ править ]

Обзор связей между метаболическими процессами.

Гликолиз [ править ]

Гликолиз - это процесс расщепления молекулы глюкозы на две молекулы пирувата с сохранением энергии, выделяемой во время этого процесса, в виде АТФ и НАДН . [2] Почти все организмы, которые расщепляют глюкозу, используют гликолиз. [2] Регулирование уровня глюкозы и использование продуктов являются основными категориями, по которым эти пути различаются между организмами. [2] В некоторых тканях и организмах гликолиз является единственным методом производства энергии. [2] Этот путь является общим как для анаэробного, так и для аэробного дыхания. [1]

Гликолиз состоит из десяти этапов, разделенных на две фазы. [2] Во время первой фазы требуется разрушение двух молекул АТФ. [1] На втором этапе химическая энергия промежуточных продуктов передается в АТФ и НАДН. [2] При распаде одной молекулы глюкозы образуются две молекулы пирувата, которые могут быть дополнительно окислены, чтобы получить больше энергии в последующих процессах. [1]

Гликолиз можно регулировать на разных этапах процесса посредством регулирования с обратной связью. Шаг, который регулируется больше всего, - это третий шаг. Это регулирование должно гарантировать, что организм не будет чрезмерно производить молекулы пирувата. Регулирование также позволяет хранить молекулы глюкозы в жирных кислотах. [6] В процессе гликолиза используются различные ферменты. Ферменты активируют , подавляют и регулируют этот процесс с помощью обратной связи .

Глюконеогенез [ править ]

Глюконеогенез - это процесс, обратный гликолизу. [7] Это включает преобразование неуглеводных молекул в глюкозу. [7] Неуглеводные молекулы, которые превращаются в этом пути, включают пируват, лактат, глицерин, аланин и глутамин. [7] Этот процесс происходит, когда организму нужна глюкоза. [7] Печень является основным местом глюконеогенеза, но некоторые из них также происходят в почках. [1] Печень - это орган, который расщепляет различные неуглеводные молекулы и отправляет их в другие органы и ткани или использует их в глюконеогенезе.

Этот путь регулируется множеством разных молекул. [7] Глюкагон, адренокортикотропный гормон и АТФ стимулируют глюконеогенез. [7] Глюконеогенез ингибируется АМФ, АДФ и инсулином. [7] Инсулин и глюкагон - два наиболее распространенных регулятора глюконеогенеза.

Гликогенолиз [ править ]

Гликогенолиз относится к расщеплению гликогена. [7] В печени, мышцах и почках этот процесс происходит для обеспечения глюкозы, когда это необходимо. [7] Отдельная молекула глюкозы отщепляется от ветви гликогена и во время этого процесса превращается в глюкозо-1-фосфат . [1] Эта молекула затем может быть преобразована в глюкозо-6-фосфат , промежуточное соединение в пути гликолиза. [1]

Затем глюкозо-6-фосфат может прогрессировать посредством гликолиза. [1] Гликолиз требует ввода только одной молекулы АТФ, когда глюкоза происходит из гликогена. [1] Кроме того, глюкозо-6-фосфат может быть преобразован обратно в глюкозу в печени и почках, что позволяет при необходимости повышать уровень глюкозы в крови. [2]

Глюкагон в печени стимулирует гликогенолиз при понижении уровня глюкозы в крови, что называется гипогликемией. [7] Гликоген в печени может действовать как резервный источник глюкозы между приемами пищи. [2] Гликоген печени в основном служит центральной нервной системе. Адреналин стимулирует расщепление гликогена в скелетных мышцах во время упражнений. [7] В мышцах гликоген обеспечивает быстрый доступ к источнику энергии для движения. [2]

Гликогенез [ править ]

Гликогенез относится к процессу синтеза гликогена. [7] У человека посредством этого процесса глюкоза может превращаться в гликоген. [2] Гликоген - это сильно разветвленная структура, состоящая из основного белка гликогенина , окруженного ответвлениями глюкозных единиц, связанных вместе. [2] [7] Разветвление гликогена увеличивает его растворимость и позволяет большему количеству молекул глюкозы быть доступными для разложения одновременно. [2] Гликогенез происходит главным образом в печени, скелетных мышцах и почках. [2] Путь гликогенеза потребляет энергию, как и большинство синтетических путей, потому что АТФ и УТФ расходуются на каждую введенную молекулу глюкозы.[8]

Пентозофосфатный путь [ править ]

Пентозофосфатный путь представляет собой альтернативный способ окислительной глюкозы. [7] Это происходит в печени, жировой ткани, коре надпочечников, семенниках, молочных железах, фагоцитарных клетках и эритроцитах. [7] Он производит продукты, которые используются в других клеточных процессах, восстанавливая НАДФ до НАДФН. [7] [9] Этот путь регулируется за счет изменений активности глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы. [9]

Метаболизм фруктозы [ править ]

Фруктоза должна пройти определенные дополнительные этапы, чтобы войти в путь гликолиза. [2] Ферменты, расположенные в определенных тканях, могут добавлять к фруктозе фосфатную группу. [7] Это фосфорилирование создает фруктозо-6-фосфат, промежуточный продукт в пути гликолиза, который может расщепляться непосредственно в этих тканях. [7] Этот путь происходит в мышцах, жировой ткани и почках. [7] В печени ферменты производят фруктозо-1-фосфат, который вступает в путь гликолиза и позже расщепляется на глицеральдегид и дигидроксиацетонфосфат. [2]

Метаболизм галактозы [ править ]

Лактоза, или молочный сахар, состоит из одной молекулы глюкозы и одной молекулы галактозы. [7] После отделения от глюкозы галактоза отправляется в печень для преобразования в глюкозу. [7] Галактокиназа использует одну молекулу АТФ для фосфорилирования галактозы. [2] Затем фосфорилированная галактоза превращается в глюкозо-1-фосфат, а затем в глюкозо-6-фосфат, который может расщепляться при гликолизе. [2]

Производство энергии [ править ]

Многие этапы углеводного метаболизма позволяют клеткам получать доступ к энергии и временно сохранять ее в АТФ . [10] Кофакторы НАД + и ФАД иногда восстанавливаются во время этого процесса с образованием НАДН и ФАДН 2 , которые управляют образованием АТФ в других процессах. [10] Молекула НАДН может производить 1,5–2,5 молекулы АТФ, тогда как молекула ФАДН 2 дает 1,5 молекулы АТФ. [11]

Энергия, вырабатываемая при метаболизме одной молекулы глюкозы
ПутьВход АТФВыход АТФЧистый АТФВыход NADHВыход FADH 2Конечный выход ATP
Гликолиз (аэробный)242205-7
Лимонно-кислотный цикл0228217-25

Как правило, полное разложение одной молекулы глюкозы за счет аэробного дыхания (т.е. с участием как гликолиза, так и цикла лимонной кислоты ) обычно составляет около 30–32 молекул АТФ. [11] Окисление одного грамма углеводов дает около 4 ккал энергии . [3]

Гормональная регуляция [ править ]

Глюкорегуляция - это поддержание постоянного уровня глюкозы в организме.

Гормоны, выделяемые поджелудочной железой, регулируют общий метаболизм глюкозы. [12] Инсулин и глюкагон являются основными гормонами, участвующими в поддержании постоянного уровня глюкозы в крови, и высвобождение каждого из них контролируется количеством доступных в настоящее время питательных веществ. [12] Количество инсулина, высвобождаемого в кровь, и чувствительность клеток к инсулину определяют количество глюкозы, которую клетки разрушают. [4] Повышенный уровень глюкагона активирует ферменты, катализирующие гликогенолиз, и ингибирует ферменты, катализирующие гликогенез. [10]И наоборот, гликогенез усиливается, а гликогенолиз ингибируется, когда в крови высокий уровень инсулина. [10]

Уровень циркулирующей глюкозы (неофициально известный как «сахар в крови»), а также обнаружение питательных веществ в двенадцатиперстной кишке являются наиболее важными факторами, определяющими количество вырабатываемого глюкагона или инсулина. Высвобождение глюкагона ускоряется низким уровнем глюкозы в крови, тогда как высокий уровень глюкозы в крови стимулирует выработку клетками инсулина. Поскольку уровень циркулирующей глюкозы в значительной степени определяется потреблением пищевых углеводов, диета контролирует основные аспекты метаболизма через инсулин. [13] У людей инсулин вырабатывается бета-клетками поджелудочной железы , жир хранится в жировой ткани.клетки, а гликоген накапливается и высвобождается клетками печени по мере необходимости. Независимо от уровня инсулина глюкоза не поступает в кровь из внутренних запасов гликогена мышечных клеток.

Углеводы как хранилище [ править ]

Углеводы обычно хранятся в виде длинных полимеров молекул глюкозы с гликозидными связями для структурной поддержки (например, хитин , целлюлоза ) или для хранения энергии (например, гликоген , крахмал ). Однако сильное сродство большинства углеводов к воде делает хранение больших количеств углеводов неэффективным из-за большой молекулярной массы сольватированного водно-углеводного комплекса. В большинстве организмов избыточные углеводы регулярно катаболизируются с образованием ацетил-КоА , который является сырьем для пути синтеза жирных кислот ; жирные кислоты , триглицериды и другие липидыобычно используются для длительного хранения энергии. Гидрофобный характер липидов делает их гораздо более компактной формой хранения энергии, чем гидрофильные углеводы. Глюконеогенез позволяет синтезировать глюкозу из различных источников, включая липиды. [14]

У некоторых животных (например, термитов [15] ) и некоторых микроорганизмов (например, протистов и бактерий ) целлюлоза может разбираться во время пищеварения и абсорбироваться в виде глюкозы. [16]

Болезни человека [ править ]

  • Сахарный диабет
  • Непереносимость лактозы
  • Нарушение всасывания фруктозы
  • Галактоземия
  • Болезнь накопления гликогена

Ссылки [ править ]

  1. ^ Б с д е е г ч я Моганом, Рон (2009). «Углеводный обмен». Хирургия (Оксфорд) . 27 (1): 6–10. DOI : 10.1016 / j.mpsur.2008.12.002 .
  2. ^ Б с д е е г ч я J к л м п о р Q R сек т Нельсон, Дэвид Ли (2013). Принципы биохимии Ленингера . Кокс, Майкл М., Ленингер, Альберт Л. (6-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman and Company. ISBN 978-1429234146. OCLC  824794893 .
  3. ^ a b c Сандерс, LM (2016). «Углеводы: пищеварение, абсорбция и метаболизм». Энциклопедия еды и здоровья . С. 643–650. DOI : 10.1016 / b978-0-12-384947-2.00114-8 . ISBN 9780123849533.
  4. ^ a b c d Холл, Джон Э. (2015). Электронная книга учебника медицинской физиологии Гайтона и Холла (13 изд.). Elsevier Health Sciences. ISBN 978-0323389303.
  5. ^ Хансен, Р. Гаурт; Гицельманн, Ричард (1975-06-01). Физиологические эффекты пищевых углеводов . Серия симпозиумов ACS. 15 . Американское химическое общество. С.  100–122 . DOI : 10.1021 / Б.К.-1975-0015.ch006 . ISBN 978-0841202467.
  6. ^ «Регуляция клеточного дыхания (статья)». Ханская академия. www.khanacademy.org, https://www.khanacademy.org/science/biology/cellular-respiration-and-fermentation/variations-on-cellular-respiration/a/regulation-of-cellular-respiration .
  7. ^ Б с д е е г ч я J к л м п о р д т ы т у Dashty, Monireh (2013). «Краткий обзор биохимии: углеводный обмен». Клиническая биохимия . 46 (15): 1339–52. DOI : 10.1016 / j.clinbiochem.2013.04.027 . PMID 23680095 . 
  8. ^ Gropper, Sareen S .; Смит, Джек Л .; Карр, Тимоти П. (2016-10-05). Продвинутое питание и метаболизм человека . Cengage Learning. ISBN 978-1-337-51421-7.
  9. ^ a b Рамос-Мартинес, Хуан Игнасио (2017-01-15). «Регулирование пентозофосфатного пути: вспомните Кребса». Архивы биохимии и биофизики . 614 : 50–52. DOI : 10.1016 / j.abb.2016.12.012 . ISSN 0003-9861 . PMID 28041936 .  
  10. ^ a b c d Ахерн, Кевин; Раджагопал, Индира; Тан, Таралин (2017). Биохимия - бесплатно для всех . Государственный университет Орегона.
  11. ^ a b Энергетика клеточного дыхания (метаболизм глюкозы) .
  12. ^ а б Лебовиц, Гарольд Э. (2016). «Гипергликемия, вторичная к недиабетическим состояниям и методам лечения». Эндокринология: взрослая и детская . С. 737–51. DOI : 10.1016 / b978-0-323-18907-1.00042-1 . ISBN 9780323189071.
  13. Перейти ↑ Brockman, RP (март 1978 г.). «Роль глюкагона и инсулина в регуляции метаболизма у жвачных животных. Обзор» . Канадский ветеринарный журнал . 19 (3): 55–62. ISSN 0008-5286 . PMC 1789349 . PMID 647618 .   
  14. ↑ G Cooper, The Cell , Американское общество микробиологии, стр. 72
  15. ^ Ватанабэ, Хирофуми; Хироаки Нода; Гаку Токуда; Натан Ло (23 июля 1998 г.). «Ген целлюлазы термитного происхождения». Природа . 394 (6691): 330–31. DOI : 10.1038 / 28527 . PMID 9690469 . S2CID 4384555 .  
  16. Перейти ↑ Coleman, Geoffrey (8 февраля 1978 г.). «Метаболизм целлюлозы, глюкозы и крахмала с помощью простейших простейших ресничек рубца Eudiplodinium Magii» . Журнал общей микробиологии . 107 (2): 359–66. DOI : 10.1099 / 00221287-107-2-359 .

[1]

Внешние ссылки [ править ]

  • Углеводы + метаболизм по медицинским предметным рубрикам Национальной медицинской библиотеки США (MeSH)
  • BBC - GCSE Bitesize - Биология | Люди | Глюкорегуляция
  • Сахар4Дети
  1. ^ «Регуляция клеточного дыхания (статья)». Ханская академия. www.khanacademy.org, https://www.khanacademy.org/science/biology/cellular-respiration-and-fermentation/variations-on-cellular-respiration/a/regulation-of-cellular-respiration .