Переваривание и всасывание углеводов. Глюкозные транспортёры
Эта тема входит в мой курс по биохимии
Следующий этап разбора углеводов — это их переваривание. А какие вообще углеводы могут попасть к нам в желудочно-кишечный тракт? На самом деле их не так уж и много. Основные углеводы нашего рациона: крахмал, лактоза, сахароза и немного мальтозы.
Крахмал содержится в растениях — это их полисахарид, с помощью которого они запасают энергию. Он состоит из молекул амилозы и амилокпектина, а они состоят из глюкозы. В амилозе связи альфа-1-4-гликозидные. Она образует спираль.
Амилопектин похож на амилозу, но ещё в нём через есть альфа-1-6-гликозидные связи. Они образуются через каждые 24-30 остатков глюкозы. Из-за этого он образует древовидную структуру.
Лактоза — это дисахарид, который содержится в молоке. Состоит из галактозы и глюкозы. Они связаны бета-1-4-гликозидной связью.
Сахароза — это дисахарид, который состоит из глюкозы и фруктозы. Содержится в сладких плодах. Связь между глюкозой и фруктозой альфа-1-бета-2-гликозидная.
Мальтоза ваш дисахарид, если вы любитель пивка. Или всякой другой бродильной темы. Только там его и можно словить. Это дисахарид, который состоит из двух молекул глюкозы — связь альфа-1-4-гликозидная. Можно сказать, что это микрокрахмал.
Вот и всё. Гликогена в нашем рационе почти нет, так что на нём останавливаться нет смысла.
Наш организм может всасывать только моносахариды, а значит нам придётся попотеть и разрушить связи между всеми сахаридами, которые мы разобрали выше. Наша преграда — О-гликозидные связи.
Гликозидазы
Мы будем разрушать эти связи с помощью ферментов из класса гидролаз — гликозидаз. На каждом этапе будут свои ферменты, но сейчас мы разберём два общих класса. В эти классы они и будут входить.
Эндогликозидазы — это ферменты, которые гидролизуют О-гликозидную связь внутри молекул олигосахаридов и полисахаридов. Это значит, что с помощью них мы не сможем получить моносахарид. Так из олигосахаридов мы получим дисахариды, а из полисахаридов — декстрины. Декстрины — это олигосахариды, которые получаются при гидролизе крахмала. Но большего при гидролизе этими ферментами мы не получим!
Экзогликозидазы — это ферменты, которые гидролизуют О-гликозидную связь с конца молекулы. А именно с его восстанавливающего конца — в прошлой статье подробно это разбирали. Они действуют на дисахариды и олигосахариды. Здесь мы получаем моносахариды.
Наши дисахариды — фруктоза, лактоза и мальтоза доходят до тощей кишки без изменений и только там начинают перевариваться. Но вот крахмал проходит долгий путь, который начинается с ротовой полости.
Теперь, когда мы познакомились с действующими лицами, можно переходить к перевариванию.
Переваривание углеводов
Всё начинается с нашего рта. Мы откусили хороший кусок и начали его жевать. Формируется пищевой комок, который пропитывается слюной. Слюна состоит из воды на 99% и имеет щелочную среду — pH=6-7. При таком pH будет активен наш первый фермент — альфа-амилаза слюны. Это эндогликозидаза, которая занимается расщеплением альфа-1-4-гликозидных связей. Как раз такие связи в амилозе и амилопектине. Раз это эндогликозидаза, то мы получаем декстрины. Ещё раз повторю, что это олигосахариды, которые образуются при гидролизе крахмала.
А вот её действие на амилопектин.
Но в ротовой полости пищевой комок находится недолго, а значит гидролиз там совсем небольшой — максимум это образование декстринов. После этого комок попадает в желудок, где происходит резкая смена кислотности среды. pH желудка около двух, что не слишком комфортно для альфа-амилазы слюны, поэтому она перестаёт работать. Кое-какой гидролиз в желудке всё таки есть — внутри пищевого комка, да и сама соляная кислота может гидролизовать гликозидные связи. Но это очень-очень слабый гидролиз.
После комок попадает в тонкую кишку, а если точнее — двенадцатиперстную кишку, где меняется pH среды. Кислотная среда желудка нейтрализуется с помощью бикарбонатов и секрета поджелудочной железы — pH около 8.
Поджелудочная железа вырабатывает другую альфа-амилазу — панкреатическая альфа-амилаза. Да-да, у неё такая же функция, как и у альфа-амилазы слюны — гидролиз альфа-1-4-гликозидных связей. Эти два фермента похожи по функции, но различны по составу аминокислот — это изоферменты. Гидролиз альфа-1-4-гликозидных связей приводит к образованию мальтозы, изомальтозы и небольших олигосахаридов — они содержат от 3 до 8 молекул глюкозы. Моносахариды не образуются, так как панкреатическая альфа-амилаза — это тоже эндогликозидаза.
Вот такие молекулы у нас остаются. Мы всё еще не трогали альфа-1-6-гликозидные связи, но можно сделать небольшой вывод.
Это делается для того, чтобы на восстанавливающие концы могли подействовать экзогликозидазы. Так что переходим к ним, но сначала нужно вспомнить строение слизистой тонкого кишечника.
Слизистая состоит из ворсинок и крипт. Ворсинки — это пальцевидные выпячивания в полость кишки, а крипты — это углубления. Они покрыты эпителием (однослойный цилиндрический каёмчатый), на котором располагаются микроворсинки. Именно на микроворсинках сидят нужные нам ферменты, а точнее ферментные комплексы. Они крепятся к клеточной мембране — это облегчает всасывание после переваривания.
Ферментные комплексы
Всего таких комплекса три: сахарозо-изомальтазный, бета-гликозидазный и гликоамилазный. Они разбросаны по тонкому кишечнику: где-то больше одних, а где-то других. Чем ближе к толстому кишечнику, тем их меньше — в толстом их совсем нет.
Сахарозо-изомальтазный комплекс состоит из двух ферментов: сахаразы и изомальтазы, а также он обладает мальтазной активностью. Название может немного запутать. Да, он гидролизует альфа-1-бета-2-гликозидную связь в сахарозе и альфа-1-6-гликозидную связь в изомальтозе. Но сахарозо-изомальтозный комплекс занимается гидролизом и обычной мальтозы — альфа-1-4-гликозидной связи. Около 80% гидролиза мальтозы обеспечивает он. Из сахарозы получим глюкозу и фруктозу. Из изомальтозы и мальтозы — глюкозу.
Бета-гликозидазный комплекс обладает лактазной активностью — гидролизует бета-1,4-гликозидную связь в лактозе. Из лактозы получим галактозу и глюкозу.
Гликоамилазный комплекс — действует на альфа-1,4-гликозидные связи. Поэтому может гидролизовать мальтозу и олигосахариды. Опять таки получаем глюкозу.
Давайте сделаем сводную табличку с отделом ЖКТ, ферментами и продуктами. Если так посмотреть, то нет никаких сомнений, что главный углевод для нас — глюкоза.
Всасывание моносахаридов
Что делать с моносахаридами дальше?
Всасывать! Мы договорились, что главный углевод — это глюкоза. Так что давайте разберёмся на её примере.
Мы плотно поели пюрешки. Весь крахмал был поэтапно гидролизован в глюкозу. Концентрация глюкозы в кишке большая, а точнее возле стенки кишечника. Ведь ферментные комплексы находятся на микроворсинках, а не в просвете кишечника. Так создаётся градиент концентрации.
Глюкоза — это полярная молекула, а значит через мембрану ей просто так не пройти. Нам понадобится белок-переносчик — он называется глюкозный транспортёр 2 типа (ГЛЮТ-2). Чуть позже мы подробнее поговорим о них, но пока нужно запомнить, что этот переносчик работает только при большой концентрации глюкозы. Транспорт идёт по градиенту концентрации — у стенки кишки глюкозы много, а в клетке мало. Используется белок переносчик, а значит этот транспорт называется облегчённой диффузией.
Бывает и другая ситуация. Мы поели, и основная часть глюкозы всосалась — градиент концентрации снизился. В просвете кишечника её мало, а значит транспорт с помощью облегченной диффузии невозможен. Терять просто так глюкозу не хочется, но ГЛЮТ-2 здесь нам не поможет. Нужен другой тип транспорта, который не будет связан с градиентом концентрации глюкозы. Такой транспорт у нас тоже есть — вторично-активный транспорт. Белок переносчик содержит два участка связывания — один для глюкозы, а другой для натрия. Натрий идёт по градиенту концентрации в клетку — это создаёт немного энергии, которой хватает на то, чтобы захватить глюкозу с собой. Вот так глюкоза попадает в клетку против градиента концентрации, такой вид транспорта называется симпорт. Он работает не так уж и часто — клетка не любит тащить много натрия внутрь. Потому что где натрий, там и вода.
Дальше глюкоза попадает в венозную кровь. Вспоминаем венозный отток от кишечника — кровь попадает в верхнюю брыжеечную вену, а потом в воротную вену, а значит проходит через печень. Примерно 50-60% глюкозы там и останется, а остальная часть отправится в большой круг кровообращения и будет использована другими органами и тканями. Очень умно сделано, потому что печень — это основной «холодильник» для глюкозы. Она превращает глюкозу в гликоген и хранит для нас.
Как глюкоза попадает внутрь других клеток?
По градиенту концентрации. После того, как мы поели — растет концентрация глюкозы в крови. Есть и другой вариант — печень запустила распад гликогена, что привело к увеличению концентрации глюкозы. Не важно по какому механизму это произошло, важно пустить глюкозу в клетку. Здесь речь пойдет о глюкозных транспортерах (ГЛЮТах).
ГЛЮТы
Всего есть 12 типов глюкозных транспортеров. Но мы будем говорить только о первых пяти — самых важных. Для этого нам нужно представить, что ГЛЮТы — это ферменты. Хоть это и белки переносчики, но так нам будет проще разобраться.
Все ГЛЮТы — это изоферменты. То есть они имеют схожую функцию — транспорт через мембраны, но отличаются по своей структуре. Получается, что них есть отличия по аминокислотным последовательностям. Из-за этих отличий у них есть отличия и по функциям: одни имеют большее сродство к глюкозе, чем другие. Зачем такие сложности?
В нашем организме слишком много клеток. Каким-то глюкоза жизненно необходима для их функций — мозгу и эритроцитам, а другие могут и перебиться — мышечная и жировая ткань. Согласно нашему мозгу самая важная ткань — это наш мозг. Так что для каких-то клеток глюкоза легкодоступна — она попадает них почти при любой концентрации. А вот другим приходится ждать приёма пищи. На самом деле всё немного сложнее, но об этом позднее.
Мы договорились, что будем разбирать ГЛЮТы так, как будто это ферменты. Для любого фермента есть константа Михаэлиса-Ментена. Она равна концентрации субстрата при которой достигается половина максимальной скорости. Благодаря константе Михаэлиса-Ментена мы определяем сродство фермента к субстрату: чем больше константа, тем меньше сродство фермента к субстрату. И наоборот.
Концентрация глюкозы в крови меняется. Это зависит от приёма пищи. Когда мы ничего не покушали, то концентрация глюкозы стабильна — она равна 3,3-5,5 ммоль/л. Это базальный уровень глюкозы. Но концентрация глюкозы в крови растёт после приёма пищи. Теперь можно переходить к ГЛЮТам.
ГЛЮТ-1 имеет константу Михаэлиса-Ментена 3 ммоль/л. Это меньше, чем базальный уровень глюкозы. Получается, что такой ГЛЮТ будет активен всегда! Он есть в эритроцитах, гемато-энцефалическом барьере и плаценте. Это одни из самых важных клеток и тканей. Помните я говорил, что всё немного сложнее? Так вот эти ГЛЮТы есть во всех органах и тканях, но их мало! Они позволяют клеткам получить минимальный уровень глюкозы, который необходим для их жизнедеятельности. Но не больше! Основное заберут эритроциты и мозг, ну и плацента — при беременности.
ГЛЮТ-3 имеет константу Михаэлиса-Ментена ~1,5 ммоль/л. Ещё меньше, чем у прошлого. Такие переносчики есть в нейронах и яичках.
ГЛЮТ-1 и ГЛЮТ-3 имеют маленькую константу — значит у них большое сродство к глюкозе. Получается, что у мозга всегда есть глюкоза для своих нужд.
ГЛЮТ-2. Константа Михаэлиса-Ментена 17 ммоль/л. Здоровая… Такие ГЛЮТы будут работать после приёма пищи, когда концентрация глюкозы в крови увеличивается. Значит нужно пройтись по пищеварительному тракту и связанному с ним органами. Такие ГЛЮТы будут в тонком кишечнике — об этом транспорте мы говорили. Дальше глюкоза попадает в печень и там тоже такие транспортеры. Часть глюкозы попадает в большой круг кровообращения, а оттуда в островки поджелудочной железы. Бета-клетки начинают выбрасывать инсулин — ребята пора запасти глюкозу, мы ведь поели! Ещё такие ГЛЮТы есть в почках.
Сродство у этих ГЛЮТов к глюкозе маленькое. Но это не значит, что нам обязательно нужно достигнуть концентрации в 17 ммоль/л. Они будут работать и при концентрациях поменьше — обычно после приёма пищи концентрации глюкозы около 8 ммоль/л. Просто они будут далеки до своей максимальной активности. Важно для нас то, что
ГЛЮТ-4. Константа Михаэлиса-Ментена 5 ммоль/л. У вас тоже мелькнула мысль, что они работают при базальном уровне глюкозы? Придётся выкинуть её из головы — у этих переносчиков есть своя изюминка. Они зависимы от инсулина.
При базальном уровне глюкозы их нет в мембране, а значит они не обеспечивают транспорт глюкозы. ГЛЮТы находятся в цитоплазме и ждут своего часа. При повышении концентрации глюкозы происходит активация ГЛЮТ-2, а это приводит к выбросу инсулина. Инсулин попадает в мышцы, жировую ткань и сердце — он вызывает встраивание ГЛЮТ-4 в мембрану. Только после этого они начинают транспортировать глюкозу.
ГЛЮТ-5. Тоже не совсем обычные, потому что они транспортируют фруктозу, а не глюкозу. Их константа Михаэлиса-Ментена равна 6 ммоль/л. А находятся они в тонком кишечнике, яичках и почках.
Про остальные ГЛЮТы можете где-нибудь почитать, ну если вам интересно. Мы разобрали пять самых важных.
Что дальше делать с глюкозой?
Глюкозу было довольно сложно загнать в клетку — все эти переваривания и переносчики, мрак. Но работа организма ещё не закончена — теперь нужно не выпустить глюкозу из клетки. Ведь мы сказали, что транспорт глюкозы определяется её градиентом концентрации. Значит, если мы увеличим концентрацию глюкозы в клетке, то она может начать выбираться из неё. Нужно этому помешать!
Для этого есть два фермента: глюкокиназа и гексокиназа. Оба занимаются одним и тем же — присоединяют остаток фосфорной кислоты к шестому атому глюкозы. Получаем глюкозо-6-фосфат, который имеет заряд -2. Это нужно по двум причинам:
- Для глюкозо-6-фосфата нет переносчиков в клетках, они есть только для глюкозы. А заряд -2 не даёт ей выскочить даже случайно.
- Глюкозо-6-фосфат менее стабилен. А чем меньше стабильность молекулы, тем больше её реакционная способность.
Глюкокиназа есть в печени и поджелудочной железе. Её константа Михаэлиса-Ментена — 10 ммоль/л. Значит после приёма пищи её активность растёт. Больше половины глюкозы проходит через печень, где фосфорилируется этим ферментом и запасается в виде гликогена или идёт на другие процессы. Так что печень большая сладкоежка.
У фосфорилирования есть ещё одна важна функция: глюкозо-6-фосфат это не глюкоза — поэтому сохраняется высокий градиент концентрации глюкозы между кровью и клеткой.
Гексокиназа есть в большинстве тканей. У неё большое сродство к глюкозе — константа Михаэлиса-Ментена ~ 0,1 ммоль/л. Из-за этого у неё высокая активность при базовом уровне глюкозы. Плюс снижается потребление глюкозы печенью — из-за низкой активности ГЛЮТ-2 и глюкокиназы, поэтому больше достаётся другим клеткам. Но у гексокиназы есть и свои минусы. Её аллостерический регулятор — это продукт реакции (глюкозо-6-фосфат). Он снижает её активность. А также активность гексокиназы снижается при повышении уровня АТФ.
В клетках печени, кишечника и почек есть фермент глюкозо-6-фосфатаза. Она отщепляет фосфорную группу, что переводит глюкозо-6-фосфат обратно в глюкозу. Это нужно для того, чтобы отправить глюкозу обратно в кровь к другим органам и тканям. Так печень разрушает гликоген и потом выкидывает глюкозу в кровь. После всасывания в кишечнике тоже происходит фосфорилирование глюкозы, но чтобы отправить её в кровь нужно произвести дефосфорилирование. Ну а в почках чего там? В почках происходит реабсорбция глюкозы — она ведь в норме не попадает в мочу, а значит им тоже нужно закачать её в кровь.
В остальных же клетках глюкоза попадает в ловушку Джокера — ей уже не выбраться из них.
Пути глюкозо-6-фосфата неисповедимы
Давайте посмотрим куда глюкозо-6-фосфат может отправиться дальше. Забрасываем удочку на следующие статьи. И вариантов безумно много! Можно синтезировать гликоген — так мы сделаем энергетический запас. Можно получить энергию через гликолиз и цикл трикарбоновых кислот — в виде молекул АТФ. Может хотите потратить глюкозу на синтез липидов или аминокислот? Без проблем! Перевести в пентозу или другие моносахариды? Тоже можно, тогда отправим пентозы на синтез нуклеиновых кислот, а моносахарид модифицируем — потом получим из него гетерополисахарид.
Вроде всего одна молекула, а сколько всего можно получить, удивительно.