В качестве запасного углевода гликоген используется в клетках: В качестве запасного углевода гликоген используется в клетках 1.элодеи 2.собаки 3.вируса

Содержание

Запасные питательные вещества углеводы

В биологии существует понятие запасных питательных веществ. К ним относят белки, жиры и углеводы. Углеводы очень эффективны, если в живой организм перестают поступать извне питательные компоненты. Что еще важно знать о его органическом устройстве?

Что такое запасное питательные вещество?

Это компонент, который запасается впрок плодовым телом. Он требуется для дальнейшего использования в жизнедеятельности. Однако, его происхождение и функции не у всех живых организмов можно определить однозначно. У каждого живого существа есть свой резервный элемент. Углеводы могут запасать грибы, растения, животные, бактерия.

Резервное вещество в животной клетке

Гликоген в организме животного запасается клетками печени и мышечными волокнами. Элемент содержит в составе углеводы, в основном, глюкозу. Однако, оно не имеет ярко выраженного сладкого привкуса.

Полисахарид регулярно подвергается процессу гидролиза в насыщенной кислой среде.

Часто происходит процесс диссимиляции, при котором молекулы глюкозы высвобождаются наружу при их недостатке. Ассимиляция случается реже, в основном, при серьезном избытке вещества.

Запасные вещества в клетках растения

Органические компоненты в клетках растений происходят при участии процесса фотосинтеза. При его протекании часть питательных веществ может быть отложена про запас. Чаще всего в запас откладываются протеиновые частицы, жиры, углеводы. Это происходит в разных отделах и участках растения. В каких?

плодовая часть;
семена, зерна;
клубни, корневища;
стебли, листья.

Если животные клетки запасают гликоген, то растительные откладывают на хранение крахмал. Он откладывается во всех частях растения, часто это необходимо для поддержания будущих поколений.

Также одним из резервных частиц растения является целлюлоза. Она обычно служит строительным материалом для новых растений. Целлюлоза способна выполнять и необходимую прочность растениям, выполнять опорные функции.

Дополнительные вещества в клетках бактерий

Запасные питательные микроэлементы в клетках бактерий обычно хранятся в цитоплазме. Они образуются при протекании процессов метаболизма. Накапливаются только тогда, когда их вырабатывается чрезмерное количество. Бактерия может использовать хранилище, если попадает в негативные для своей жизнедеятельности условия. Углеводные резервы помогают поддерживать оптимальные клеточные и энергетические запасы. У бактерий есть разные накопительные клетки. Одни способны накапливать только полисахариды.

Чаще всего главным дополнительным хранилищем выступает гликоген. Однако, спорные бактерии чаще всего резервируют гранулезу, углерод, фосфор. Полифосфаты являются чистым источником энергии. Только у определенных видов бактерий может встречаться сера как запасающее вещество. Она необходима для процессов окисления кислорода и окисления углекислоты.

Заключение

Таким образом, если живое существо попадает в негативные или экстремальные условия существования, то оно может активировать запас углеводов, который ранее был запасен в клетках его тела, продлить жизнь себе и последующим поколениям.

Запасной углевод животных. Запасным углеводом в животной клетке является гликоген или крахмал? Как называется запасной углевод животных клеток?

Всю биохимическую активность животной клетки можно описать двумя глаголами: «запасать» и «расходовать». Чем моложе организм, тем больше процессы синтеза и запасания органических веществ будут преобладать над их расщеплением и расходованием. Объясняется это просто: чтобы расти и «строить» свой организм, нужно много пластического материала и, конечно же, энергии. Главным строительным веществом клетки является белок, а доминирующим соединением, дающим энергию – гликоген.

Он считается запасным углеводом, резервирующимся в клетках печени и скелетных мышц всех млекопитающих: как животных, так и человека. Изучению его свойств и будет посвящена эта работа.

Что и где мы запасаем

На уровне животной клетки органические вещества синтезируются и накапливаются в её структурных единицах – органеллах. Белки синтезируются в рибосомах, липиды и углеводы – в каналах гладкой эндоплазматической сети. В организме млекопитающих запасы органических веществ накапливаются в скелетных мышцах, печени, подкожной жировой клетчатке и сальнике. Запасным углеводом животных является гликоген, который синтезируется из глюкозы, содержащейся в крови.

Она образуется как продукт диссимиляции пищевых продуктов, в состав которых входит, прежде всего, растительный крахмал: хлеба, картофеля, риса. Эти вещества расщепляются в ротовой полости, желудке, а также в двенадцатиперстной кишке. Именно в ней происходит их основной распад. Образовавшаяся глюкоза всасывается в кровеносные капилляры ворсинок тонкого кишечника и затем разносится кровью в мышцы и печень, где и синтезируется запасной углевод животных и человека.

Что такое гликоген

Хотя в названии вещества присутствует часть слова «гликос», что в переводе с греческого означает «сладкий», оно почти не имеет вкуса. Скорее всего, такое название указывает на его принадлежность к классу сложных углеводов, содержащих остатки глюкозы, действительно сладкой на вкус. Гликоген имеет вид бесструктурного порошка белого цвета. Он гидрофильный и образует коллоидный раствор, похожий на молоко. Являясь запасным углеводом в животной клетке, полисахарид подвергается гидролизу в кислой среде в несколько этапов. Продуктами его взаимодействия с водой являются декстрины, далее – мальтоза и, наконец, глюкоза. Будучи полимером, гликоген имеет вид смеси разветвленных цепочечных молекул различной массы.

Биохимические свойства

Мы установили тот факт, что гликоген является запасным углеводом животной клетки. Резервные вещества такого типа претерпевают в цитоплазме гепатоцитов, лейкоцитов и миоцитов два взаимно противоположных процесса. Первый: диссимиляцию, приводящую к высвобождению молекул глюкозы и второй – ассимиляцию, которая переводит избыток глюкозы в запасной полимер – гликоген. Он аккумулируется в организме и является запасом энергии, используемой в процессе жизнедеятельности животного и человека.

Как синтезируется животный крахмал

Напомним, что, с химической точки зрения, он представляет собой высокомолекулярное соединение – полимер, мономерами которого являются остатки α-d глюкозы. Чтобы они связались между собой гликозидными связями, необходима активация, то есть «раскачивание» сигма-связей углеродного скелета гексозы. Это достигается в так называемой гексокиназной реакции. Запасной углевод животных синтезируется из глюкозо-6-фосфата. Это вещество – продукт гексокиназной реакции. Фермент, катализирующий вышеназванный механизм содержится в цитоплазме клеток почек, слизистого слоя тонкого кишечника и печени животных и человека.

Расщепление гликогена

Как мы уже выяснили ранее, запасным углеводом в животной клетке является крахмал – гликоген. Биохимическими исследованиями установлено, что его расщепление не может происходить без участия специфического фермента – фосфорилазы. Она работает в кислой среде в присутствии молекул неорганического фосфата. Сам фермент становится активным под воздействием гормона поджелудочной железы – глюкагона. Его присутствие в крови свидетельствует о том, что уровень глюкозы в ней низкий. Поэтому животный организм мобилизует ресурсы запасного углевода – гликогена и начинает его расщеплять, чтобы получить дополнительную порцию глюкозы.

Этот процесс называется гликогенолизом. Нейрофизиологами установлено, что гормоны стресса – адреналин и норадреналин, вырабатываемые надпочечниками, также провоцируют гликогенолиз.

Печень и её роль в обмене углеводов

В биологии эту самую крупную пищеварительную железу млекопитающих называют биохимической фабрикой. Действительно, в ней происходит очень много ферментативных реакций, обеспечивающих обмен веществ и энергии, то есть метаболизм. Как уже известно, запасным углеводом в животной клетке является гликоген. Его распад быстро приводит к насыщению крови глюкозой – главным источником энергии для всех млекопитающих и человека.

Утраченный животный крахмал восполняется в их организмах путем приема крахмалистой пищи: картофеля, хлеба, риса. Все эти продукты подвергаются расщеплению в пищеварительном тракте, и полученная глюкоза поступает в кровь, а из нее – в клетки, особенно скелетных мышц и печени. В них происходит синтез животного крахмала под действием фермента – глюкопирофосфорилазы.

Какие процессы протекают в скелетных мышцах

Как и в печени, в миоцитах – мышечных клетках, накапливается животный крахмал. Так как масса мышц намного больше чем вес печени, то и содержание гликогена в них значительно выше. Во время физических нагрузок животный крахмал начинает расщепляться. Молочная кислота, образованная вследствие гликолиза, попадает в кровь и переносится в клетки печени и почек. В них из каждых двух молекул молочной кислоты синтезируется один моль глюкозы, которая затем переводится в резервный полисахарид. Реакция происходит с использованием энергии АТФ. Таким образом, запасным углеводом животной клетки является гликоген, аккумулируемый миоцитами, гепатоцитами, клетками коркового слоя почек, миокардом и клетками легких.

Роль ферментов в обмене животного крахмала

Как было установлено ранее, запасной углевод животных клеток называется гликогеном. В результате двух взаимно противоположных направлений в метаболизме: расщепления и синтеза, он также участвует в этих реакциях. Взаимное превращение глюкозы в гликоген и обратно возможно только при участии в этих реакциях сложной ферментативной системы. В неё входят катализаторы гликогеногенеза, такие как: фосфоглюкомутаза (превращает глюкозо-6-фосфат в глюкозо-1-фосфат) и УДФ- глюкопирофосфорилаза (обеспечивает необратимость синтеза гликогена). Реакции расщепления происходят в присутствии гликогенфосфорилазы и еще двух ферментов, последовательно отщепляющих боковые разветвления в цепях гликогена. Система всех вышеназванных ферментов действует только на обмен гликогена в гетеротрофной животной клетке, поэтому правильным ответом на тестовый вопрос: запасным углеводом в животной клетке является: 1.Крахмал, 2 Гликоген? — будет утверждение под номером 2.

Нарушения углеводного обмена и его последствия

Исходя из вышеприведённых фактов, нами было установлено, что запасным углеводом в животной клетке является гликоген. Нарушения его обмена могут быть вызваны двумя видами причин. Первый – погрешности в питании и образе жизни, второй – врождённые пороки в работе ферментативной системы организма. Совокупность ферментов, относящихся к ней, отвечает как за расщепление животного крахмала, так и за его образование из глюкозы, находящейся в крови. Поэтому патологии возникают как в реакциях пластического обмена, так и энергетического. Они называются гликогенозами. Как было определено выше, запасным углеводом в животной клетке является гликоген, накапливающийся, прежде всего, в печени и скелетных мышцах. Отсюда и два вида синдромов: мышечной и печеночной этиологии. К первой группе относится болезнь Мак-Ардля. У больного не вырабатывается фермент фосфорилаза. Это приводит к появлению в моче хромопротеида – миоглобина, выделяющегося при тяжелой физической работе. Вследствие этого происходит разрушение мышечной ткани и появление судорожных состояний.

К печеночным синдромам относится болезнь Гирке. Она встречается наиболее часто, начиная с младенческого возраста. У больных в клетках печени отсутствует фермент, переводящий продукт первичного расщепления гликогена в глюкозу, поэтому в крови больного наблюдается очень низкий уровень сахара (гипогликимия), а в моче появляется ацетон, вызывающий интоксикацию организма.

В данной статье нами были рассмотрены механизмы обмена животного крахмала – гликогена, протекающего в клетках млекопитающих и человека.

3.2 Углеводы, липиды и белки

3.2.1 Различие между органическими и неорганическими соединениями

Органические соединения — это соединения, содержащие углерод, которые встречаются в живых организмах, за исключением гидрокарбонатов (HCO ₃ ^—), карбонаты (CO ₃ ^2-) и оксиды углерода (CO, CO ₂)
К неорганическим соединениям относятся все прочие соединения (различных неорганических соединений меньше, чем органических)

Углеводы представляют собой органические соединения, состоящие из одного или нескольких простых сахаров, которые в качестве мономеров соответствуют общей основной формуле (CH ₂ O) _x

Примечание. Исключения из этой основной формулы и включение других атомов (например, N) может встречаться

3.2.2 Определить глюкозу и рибозу по схемам, показывающим их строение

Глюкоза (C ₆ H ₁₂ O ₆ ) Рибоза (C ₅ H ₁₀ O ₅ )

3. 2.3 Перечислите по три примера каждого из моносахаридов, дисахаридов и полисахаридов

Моносахариды: Глюкоза, галактоза , фруктоза

Дисахариды: Лактоза, мальтоза, сахароза

Полисахариды: Целлюлоза, гликоген, крахмал

3.2.4 Укажите одну функцию глюкозы, лактозы и гликогена у животных и фруктозы, сахарозы и целлюлозы у растений

Животные

Глюкоза: может расщепляться с образованием АТФ через клеточное дыхание

Лактоза: Сахар, содержащийся в молоке млекопитающих, обеспечивающий энергией грудных детей

Гликоген: Используется животными для краткосрочного хранения энергии (между приемами пищи) в печени

Растения

Фруктоза: Содержится в меде и луке, очень сладкая и является хорошим источником энергии и сахарный тростник)

Целлюлоза: Используется растительными клетками в качестве укрепляющего компонента клеточной стенки

3. 2.5 Обрисуйте роль конденсации и гидролиза во взаимоотношениях между моносахаридами, дисахаридами и полисахаридами

Реакции конденсации (дегидратации) происходят, когда молекулы ковалентно соединяются друг с другом и в качестве побочного продукта образуется вода
В углеводах образующаяся связь называется гликозидной связью реакция гидролиза, в которой требуется молекула воды для разрыва ковалентной связи между двумя субъединицами

Моносахариды представляют собой одиночные мономеры, которые соединяются с образованием дисахаридов, в то время как сахара, содержащие несколько субъединиц (более 10), называются полисахаридами

Реакция конденсации между двумя моносахаридами

Липиды представляют собой группу органических молекул, нерастворимых в воде, но растворимых в неполярных органических растворителях

Общие липиды включают триглицериды (жиры и масла), фосфолипиды и стероиды

3.2.2 Идентифицируйте жирные кислоты по схемам, показывающим их структуру0073 Насыщенные (без двойных связей) Ненасыщенные (двойные связи)
3. 2.5 Опишите роль конденсации и гидролиза во взаимоотношениях между жирными кислотами, глицерином и триглицеридами

Реакция конденсации происходит между тремя гидроксильными группы глицерина и карбоксильные группы трех жирных кислот
В результате этой реакции образуется триглицерид (и три молекулы воды)
Связь между глицерином и жирными кислотами представляет собой сложноэфирную связь
Когда одна из жирных кислот заменяется фосфатной группой и образуется фосфолипид
Реакции гидролиза в присутствии воды расщепляют эти молекулы на составляющие их субъединицы
Образование триглицеридов
3.2.6 Назовите три функции липидов
S структура: 90 042 Фосфолипиды являются основным компонентом клеточных мембран
H передача гормональных сигналов: Стероиды участвуют в передаче гормональных сигналов (например, эстроген, прогестерон, тестостерон)

I снабжение: изоляторы, а сфинголипиды в миелиновой оболочке (нейронов ) могут служить электрическими изоляторами
P защита: Триглицериды могут образовывать тканевый слой вокруг многих ключевых внутренних органов и обеспечивать защиту от физических повреждений
S накопление энергии: Триглицериды могут использоваться в качестве источника долгосрочного хранения энергии
3. 2.7 Сравнить использование углеводов и липидов для накопления энергии
900 35 Сходств:
Комплекс углеводы (например, полисахариды) и липиды содержат большое количество химической энергии и могут использоваться для хранения энергии
Сложные углеводы и липиды нерастворимы в воде – их трудно транспортировать
Углеводы и липиды горят чище, чем белки (они не образуют азотистых отходов)

Различия:
Молекулы липидов содержат больше энергии на грамм, чем углеводы (примерно в два раза больше)
Углеводы легче усваиваются чем липиды, и высвобождают свою энергию быстрее
Моносахариды и дисахариды растворимы в воде и их легче транспортировать к местам хранения и обратно, чем липиды
срок хранения энергии
Углеводы откладываются в виде гликогена у животных, тогда как липиды откладываются в виде жиров (у растений углеводы откладываются в виде целлюлозы, а липиды в виде масел)
Липиды оказывают меньшее влияние на осмотическое давление в клетке, чем сложные углеводы
Белки представляют собой большие органические вещества соединения, состоящие из аминокислот, расположенных в виде линейной цепи
Последовательность аминокислот в белке определяется геном и кодируется генетическим кодом
3. 2.2 Определите аминокислоты по диаграммам, показывающим их структуру
Обобщенная структура аминокислоты
Типы аминокислот
3.2.5 Опишите роль конденсации и гидролиза во взаимоотношениях между аминокислотами и полипептидами
Происходит реакция конденсации между аминогруппой (NH ₂ ) одной аминокислоты и карбоксильной группы (COOH) другой аминокислоты
В результате этой реакции образуется дипептид (плюс молекула воды), который удерживается вместе пептидной связью
Несколько аминокислот могут быть соединены вместе для образования полипептидной цепи
В присутствии воды полипептиды могут быть расщеплены на отдельные аминокислоты посредством реакций гидролиза
Химия, которая держит нас вместе
Знать уровень
Узнайте о связях, определяющих структуру и функцию углеводов
Углеводы представляют собой класс молекул, столь же разнообразных по структуре, как и по функциям. Хотя мы, возможно, знакомы с разделом об углеводах на этикетке с информацией о пищевых продуктах, в котором указывается количество крахмала, клетчатки и сахара, мы все больше осознаем более тонкие различия между ними, такие как различие между глюкозой, фруктозой и сахарозой, которые выделены в дебаты о кукурузном сахаре, кукурузном сиропе с высоким содержанием фруктозы и столовом сахаре соответственно.
Помимо нашего пищевого рациона, углеводы играют важную роль в хранении энергии и обмене веществ, а также в структуре клеток, межклеточной коммуникации и защите на клеточном уровне.
Химия углеводов
Что такое углевод?
Углеводы также известны как сахариды (по-гречески сахар). С базовой структурной точки зрения углевод считается «гидратом углерода», что в основном означает, что на каждую молекулу углерода приходится также одна молекула воды. Например, при рассмотрении молекулярной формулы глюкозы C ₆ H ₁₂ O ₆ мы можем преобразовать ее в C ₆ (H ₂ O) ₆ для обозначения 6 атомов углерода и 6 молекул воды. Углеводы могут существовать в виде простых сахаров (моносахаридов) или в виде более сложных сахаров, таких как сахароза (дисахарид) или крахмал (полисахарид), которые включают полимеризацию моносахаридных звеньев.
Типичными сахарами могут быть моносахариды (синий) или дисахариды (серый), а углеводы — полисахариды, которые могут быть разветвленными (бирюзовый) или линейными (фиолетовый)
Простые сахара: моносахариды
Моносахариды являются строительными блоками одной молекулы сахара. Они часто состоят из 5-7 молекул углерода, связанных вместе, хотя они могут быть собраны всего из 2 атомов углерода или даже из 8 или более (эти более крупные сахара часто нестабильны). Известны сотни различных моносахаридов, функции которых основаны на различном расположении и геометрии одного карбонильного углерода (C=O) и нескольких гидроксидных (-OH) групп. Если моносахарид имеет карбонил на первом углероде, то он будет содержать альдегидную группу (левая структура), тогда как карбонил на втором углероде образует кетоновую группу (правая структура).
Моносахариды часто существуют в виде кольцевых структур из-за реакции между альдегидом или кетоном на одном конце углеродной цепи с гидроксидом на другом конце или рядом с ним, образуя связь сложноэфирного типа, которая называется полуацеталем или полукеталем, соответственно. Это обратимая реакция, которая происходит быстро и спонтанно (без необходимости в ферментах) для большинства сахаров в водной среде. Однако циклическая (кольцевая) форма обычно является более распространенной конфигурацией для сахаров, образующих 5- и 6-членные углеродные кольца.
Четыре изображения бета-D-глюкопиранозы (глюкозы) показаны выше. Крайний левый рисунок называется проекцией Фишера и изображает линейную молекулу сахара с геометрией гидроксида, изображенной в зависимости от того, проецируются ли они влево или вправо от вертикальной углеродной основы. На втором рисунке показан процесс циклизации между карбонильным углеродом (розовый альдегид на первом рисунке) и предпоследним (предпоследним) гидроксидом. Образовавшийся полуацеталь выделен синим цветом.
На третьем рисунке циклизованный сахар показан в виде проекции Хаворта, где гидроксиды, направленные выше кольца, простираются вертикально вверх от своего углерода, а гидроксиды, направленные ниже кольца, простираются вертикально вниз от своего углерода. Последняя, четвертая структура — это тот же сахар, показанный в конформации стула, наиболее похожий на трехмерную форму сахара. И в проекции Хаворта, и в конформации стула более толстая линия в кольце изображает сторону кольца, выходящую из страницы к вам, а синяя форма выделяет полуацеталь.
Структура определяет функцию
Различные моносахариды — глюкоза, фруктоза и т. д. — могут различаться по количеству атомов углерода, а также по ориентации групп -ОН, отходящих от каждого атома углерода. Каждый конкретный набор ориентаций в трехмерном пространстве создает уникальную молекулу, а это означает, что молекулы сахара могут быть разных вкусов — буквально. Трехмерная форма молекулы сахара влияет на то, как она взаимодействует со вкусовыми рецепторами и метаболическими ферментами, поэтому разные сахара различаются по сладости и усвояемости. Например, люди воспринимают фруктозу намного слаще глюкозы, поэтому ее добавляют в кукурузный сахар для создания «кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы».
Другой пример того, как небольшие молекулярные изменения влияют на функцию, касается ДНК и РНК. ДНК содержит сахар дезоксирибозу, а РНК сахар рибозу в своих остовах — и дезоксирибоза, и рибоза содержат 5 атомов углерода, но отличаются отсутствием (дезоксирибоза) или наличием (рибоза) одного атома кислорода. Эта, казалось бы, небольшая разница между двумя сахарами изменяет стабильность и химическую реактивность различных форм генетического материала.
Сложные сахара: от дисахаридов до полисахаридов
Строительные блоки моносахаридов могут также соединяться друг с другом, образуя пару сахаров (дисахарид) или длинную или даже разветвленную цепь единиц сахара (полисахарид). То, что мы называем столовым сахаром (сахарозой), на самом деле является дисахаридом, образованным соединением одной глюкозы и одной фруктозы с эфирной связью между ними (выделено зеленым цветом). Геометрия связи, образующейся между сахарами, также важна для метаболизма.
Сахароза (дисахарид) состоит из одной глюкозы (моносахарида) и одной фруктозы (моносахарида), ковалентно связанных друг с другом, что изменяет наше восприятие сладости вместе с нашим метаболизмом сахаров
Другим известным дисахаридом является лактоза, которая содержится в молочных продуктах. Специфическая связь между двумя сахарными кольцами в лактозе расщепляется уникальным ферментом, называемым лактазой, который не экспрессируется во многих взрослых популяциях во всем мире, вызывая широкомасштабную непереносимость лактозы.
Связь между двумя молекулами сахара является примером дегидратационного синтеза, реакции того же типа, что и при соединении аминокислот с образованием белка. Точно так же обратная реакция, гидролиз, расщепляет сахара обратно на моносахариды.
Подобно тому, как синтез дегидратации повторяется между последующими аминокислотами для образования белков, эта реакция повторяется многократно для образования длинных цепочек сахаров. Этот процесс известен как полимеризация, где единицы сборки (в данном случае моносахариды) называются мономерами, а продукт реакции полимеризации представляет собой полимер (олигосахарид или полисахарид). В отличие от образования белков, в сахаре есть много гидроксидных (-ОН) групп, которые могут участвовать в синтезе дегидратации, поэтому полимеры могут иметь линейную или разветвленную структуру.
Полисахариды представляют собой более длинные сахара и чаще всего используются в качестве запаса энергии в различных организмах. Растения хранят энергию в виде крахмала и целлюлозы, которые представляют собой полимеры глюкозы. Люди могут разорвать связи между сахарами в крахмале, поэтому мы называем его усваиваемым сахаром. Напротив, мы не можем разорвать связи в целлюлозе, поэтому мы называем это пищевым волокном. Люди хранят энергию в виде полимеров глюкозы, называемых гликогеном, которые представляют собой сильно разветвленные сахарные структуры.
Даже в категориях крахмалов и клетчатки существует множество специфических структур углеводов. В большей части нашей пищи крахмал состоит из двух основных молекул: амилозы и амилопектина. Амилоза имеет линейную структуру, тогда как амилопектин имеет разветвленную структуру. Эти структурные различия важны для переваривания различных крахмалов, где ферменты гидролизуют сахара с концов полимерных цепей. Таким образом, более разветвленная структура амилопектина может быть переварена более эффективно, чем линейная амилоза.
Почему углеводы важны для жизни?
Глюкоза — древний источник энергии
Хотя существует множество теорий происхождения биологической жизни на Земле, точный механизм того, как возникла жизнь , до сих пор остается загадкой, которую еще предстоит решить. Однако данные свидетельствуют о том, что это произошло примерно 3,8 миллиарда лет назад, в то время, когда в земной атмосфере было мало или совсем не было свободного кислорода (докембрий). Состоит в основном из CO ₂ и N ₂ эта примитивная атмосфера обеспечивала восстановительные условия, которые позволяли самопроизвольно образовываться органическим молекулам, таким образом создавая «первичный бульон», который подготовил почву для первых одноклеточных организмов.
Поскольку первые одноклеточные организмы возникли в море органических молекул, они могли получать энергию непосредственно из окружающей среды. Однако у этого были ограничения — учитывая быстро меняющийся экологический ландшафт ранней Земли, для этих первых форм жизни стало важно разработать более устойчивый механизм для производства энергии, необходимой для роста и размножения. Этот процесс, который является центральным для всех организмов, когда-либо существовавших на нашей планете, был сосредоточен на производстве самой консервативной молекулы всех времен: аденозин-5′-трифосфата, также известного как АТФ.
По мере того, как АТФ эволюционировала, чтобы стать движущей силой почти всех энергозатратных клеточных функций, то же самое происходило и с ферментативными каскадами, ответственными за его производство. Мы полагаем, что гликолиз — клеточный процесс использования глюкозы для производства АТФ — был первым возникшим механизмом образования АТФ. Доказательства в поддержку этого включают тот факт, что он присутствует во всех организмах и что он происходит в цитозоле клеток (не нуждается в органеллах). Кроме того, ферменты, участвующие в гликолизе, демонстрируют значительный уровень эволюционной консервативности у всех известных организмов на уровнях функции, структуры и гомологии последовательностей.
Биохимия метаболизма глюкозы
Гликолиз , что буквально переводится как «расщепление сахара», состоит из каскада из десяти ферментов, в котором глюкоза (6 атомов углерода) расщепляется на 2 молекулы пирувата (3 атома углерода). Процесс гликолиза можно разделить на 2 фазы: фазу затрат энергии, которая требует 2 молекул АТФ, и фазу выхода энергии, которая дает 4 молекулы АТФ. Этот процесс, в котором участвуют 2 молекулы АТФ, также приводит к восстановлению 2 НАД9.0010 + до 2 НАДН. Помимо снабжения клетки энергией в виде АТФ, восстановление НАД ⁺ до НАДН принесет дополнительную пользу клеткам благодаря его способности отдавать электроны (восстановитель).
После того, как процесс гликолиза был установлен и ранние микробные клетки получили механизм для использования окружающих их органических молекул для выработки АТФ (энергии), считается, что следующим шагом в эволюции метаболизма станет появление фотосинтеза. Предоставив этим ранним организмам способность преобразовывать солнечный свет в энергию, фотосинтез освободил эти клетки от зависимости от «первичного бульона» для функционирования, дав им энергетическую независимость. Побочный продукт фотосинтеза O ₂, имело дополнительное преимущество в виде изменения земной атмосферы, потенциально вызывая окислительный метаболизм — процесс, в котором кислород используется для преобразования углеводов в энергию (в отличие от гликолиза, который может происходить в анаэробных условиях).
Перенесемся вперед примерно на 2 миллиарда лет, и гликолиз полностью и эффективно интегрируется с окислительными путями. Когда присутствует кислород, 2 молекулы пирувата, образованные в результате гликолиза, могут быть переведены в путь Кребса (также известный как цикл лимонной кислоты), за которым следует цепь переноса электронов — обе они происходят в митохондриях эукариот. В общей сложности окисление глюкозы в углекислый газ (клеточное дыхание) дает примерно 32 молекулы АТФ. С эффективностью, которая более чем на порядок выше, чем у одного гликолиза, процесс клеточного дыхания привел к взрыву форм жизни, что привело к биоразнообразию, наблюдаемому на протяжении всей истории эволюции.
Метаболизм углеводов в организме человека
Углеводы и питание человека
Подобно древним микробам, которые впервые использовали сахар для производства АТФ, наш организм также использует сахар для выработки энергии. На клеточном уровне глюкоза претерпевает превращение в CO ₂ и АТФ посредством окислительного метаболизма (гликолиз → цикл Кребса → цепь переноса электронов). Однако, если рассматривать углеводный обмен на уровне всего тела, все становится немного сложнее.
Углеводы, дающие около 4 ккал/г, являются основным топливом для многих типов клеток в нашем организме. Например, из-за своего большого размера человеческий мозг имеет необычно высокие метаболические затраты и является одним из основных потребителей глюкозы — ему требуется около 120 граммов глюкозы в день, или около 60% скорости метаболизма в состоянии покоя. Так как же углеводы в нашей пище, например, в нашем сэндвиче с яйцом, попадают в клетки, которые их используют?
Переваривание углеводов начинается у нас во рту. Когда мы едим пищу, содержащую крахмал (длинные цепи глюкозы), слюнная амилаза, присутствующая в слюне, начинает расщеплять крахмал на более мелкие дисахариды, такие как манноза. Как только углевод проглочен, он попадает в желудок, pH которого составляет около 1-2. Эта кислая среда дезактивирует слюнную амилазу, и углеводный катализ приостанавливается.
При выходе из желудка и попадании в тонкую кишку — более подходящую среду для переваривания углеводов (pH 7) — поджелудочная железа стимулирует секрецию панкреатической амилазы, которая продолжает действовать на остатки крахмала. В дополнение к панкреатической амилазе слизистая оболочка тонкой кишки также секретирует множество ферментов, расщепляющих дисахаридные единицы до моносахаридных единиц:
Мальтаза: превращает мальтозу в 2 единицы глюкозы
Сахараза: превращает сахарозу во фруктозу и глюкозу
Лактаза: превращает лактозу в глюкозу и галактозу
После расщепления крахмала на простые сахара отдельные моносахаридные звенья попадают из пищеварительного тракта в кровоток. В частности, глюкоза, галактоза и фруктоза поглощаются клетками кишечника (где часть фруктозы превращается в глюкозу). Оттуда сахара попадают в кровоток и по воротной вене попадают в печень. В зависимости от потребностей организма печень будет воздействовать на сахара одним из трех способов:
Преобразует все моносахариды в глюкозу и высвобождает их в кровоток — это обеспечивает другие органы топливом
Полимеризовать глюкозу в гликоген — форму хранения глюкозы, обнаруженную в печени
Превратить лишний сахар в жир
Путь, по которому проходит глюкоза, должен строго контролироваться. Любые изменения в этом могут привести к серьезному повреждению органов или даже смерти. К счастью, люди (и многие другие животные) разработали сложную систему для координации использования и хранения глюкозы в нашем организме.
Метаболическая регуляция глюкозы у человека
Количество глюкозы, присутствующей в нашем кровотоке в любой момент времени, должно строго регулироваться. Как правило, средний уровень глюкозы в плазме (крови) должен падать в пределах 70–120 мг/дл в течение 24 часов. Серьезные отклонения от этого могут иметь серьезные последствия — так как же наш организм обеспечивает контроль уровня глюкозы?
Ответом является сложная оркестровка сенсорных сигналов и гормонов с участием нескольких систем органов. Но прежде чем мы перейдем к симфонии, которую играет этот оркестр, важно сначала определить, кто на самом деле играет:
Инсулин: Инсулин, секретируемый поджелудочной железой, представляет собой пептидный гормон, который способствует удалению глюкозы из крови, стимулируя органы (например, скелетные мышцы или печень) к поглощению глюкозы и ее хранению.
Глюкагон: Этот пептидный гормон, также секретируемый поджелудочной железой, оказывает действие, противоположное инсулину, — способствует выбросу глюкозы из органов в кровоток.
Гликоген: Это полисахарид, состоящий из единиц глюкозы. Он сильно разветвлен, вырабатывается и хранится в печени и мышцах. Он имеет структуру, аналогичную амилопектину, который содержится в растительном крахмале.
Печень: Печень является основным органом регуляции обмена веществ в нашем организме. Это место хранения большей части гликогена и обеспечивает примерно 90% глюкозы, которая не поступает непосредственно из нашего рациона.
Скелетные мышцы: Эта система органов имеет решающее значение, когда речь идет о быстром реагировании на высокий уровень глюкозы — она может быстро поглощать глюкозу из крови и помогает справляться с любыми скачками уровня глюкозы. Здесь глюкоза запасается в виде гликогена и преимущественно используется для удовлетворения энергетических потребностей самой мышцы (вместо выброса в кровоток).
Поджелудочная железа: Этот эндокринный орган секретирует инсулин и глюкагон.
Когда мы едим пищу, содержащую углеводы, это вызывает повышение уровня сахара в крови (глюкозы плазмы). Поджелудочная железа будет реагировать, выделяя инсулин, который способствует тому, чтобы наши органы, в первую очередь печень и скелетные мышцы, поглощали глюкозу и сохраняли ее в виде гликогена. Однако, когда у нас низкий уровень сахара в крови (гипогликемия), поджелудочная железа будет выделять глюкагон, который прикажет печени расщеплять запасы гликогена и высвобождать глюкозу в кровоток для использования.
Если этот процесс каким-либо образом нарушен, это может иметь серьезные последствия для здоровья. Слишком много глюкозы в крови может быть очень токсичным для клеток и органов, поэтому процесс метаболизма глюкозы жестко регулируется. Однако из-за культуры неправильного питания наряду с генетическими влияниями нарушение в этой системе чрезвычайно распространено — это утверждение можно количественно оценить, просмотрев медицинские записи. Скорость, с которой люди заболевают диабетом 2 типа, поразительна: почти 2 миллиона новых случаев в год только в Соединенных Штатах (Американская диабетическая ассоциация). Каковы молекулярные механизмы, лежащие в основе этой эпидемии?
Неправильное питание, малоподвижный образ жизни и индивидуальная генетика влияют на эффективность метаболизма глюкозы у человека. Когда наблюдается длительное повышение уровня сахара в крови, а также длительное увеличение циркулирующих свободных жирных кислот, метаболическая система, контролирующая гомеостаз глюкозы, перегружается, что снижает естественную способность координировать реакцию. Со временем мышечные клетки перестают реагировать на инсулин, становясь резистентными к инсулину. Когда возникает резистентность к инсулину в мышцах, уровень сахара в крови может резко возрасти и повлиять на другие системы органов, включая поджелудочную железу, и, таким образом, на способность вырабатывать инсулин.
Хотя неспособность контролировать уровень глюкозы в крови является определяющим фенотипом диабета как 1-го, так и 2-го типа, они сильно различаются по своим патологиям. При диабете 1 типа, который на самом деле является аутоиммунным заболеванием, организм вырабатывает иммунный ответ против бета-клеток поджелудочной железы, по существу уничтожая их. Поскольку бета-клетки вырабатывают инсулин, иммунологическая атака на эти клетки приводит к неспособности вырабатывать инсулин. Вот почему люди с диабетом 1 типа должны регулярно вводить синтетический инсулин (или носить инсулиновую помпу). С другой стороны, диабет 2 типа — это заболевание, которое развивается с течением времени. В этом случае бета-клетки поджелудочной железы (сначала) способны вырабатывать инсулин. Однако способность мышц реагировать на инсулин и активно транспортировать глюкозу из кровотока становится затрудненной.
В частности, транспортный белок Glut4, который обычно находится на поверхности мышечных клеток, становится неэффективным. Со временем высокие уровни циркулирующей глюкозы в крови (в дополнение к свободным жирным кислотам и другим воспалительным факторам) будут продолжать влиять на системы органов и в конечном итоге приводить к гибели бета-клеток поджелудочной железы, делая человека неспособным полностью вырабатывать инсулин, что усугубляет последствия. снижение или отсутствие транспорта глюкозы в клетки.
Интересно, что есть некоторые исследования, которые предполагают, что определенные продукты будут иметь разные физиологические реакции с точки зрения гомеостаза глюкозы в нашем организме. Эти реакции можно предсказать, зная гликемический индекс и гликемическую нагрузку продуктов. Гликемический индекс — это мера того, как конкретная пища повлияет на уровень глюкозы в крови человека. Это измерение учитывает общее повышение уровня глюкозы в крови, но может не отражать фактическую скорость этого повышения. Тем не менее, это полезный инструмент для понимания того, как наш организм расщепляет углеводы. На гликемический индекс влияет множество факторов, в том числе структура крахмала, содержание клетчатки, обработка производителями и другие присутствующие макроэлементы (например, жиры).
Когда гликемический индекс определенного продукта известен, мы можем использовать его для определения гликемической нагрузки продукта. Гликемическая нагрузка — это количественный прогноз того, сколько глюкозы появится в кровотоке в результате употребления определенной пищи.