Переваривание углеводов в желудочно кишечном тракте биохимия

РАЗДЕЛ 7. ОБМЕН УГЛЕВОДОВ

II. Переваривание углеводов

Эпителиальные клетки кишечника способны всасывать только моносахариды. Поэтому процесс переваривания заключается в ферментативном гидролизе гликозидных связей в углеводах, имеющих олиго- или полисахаридное строение (рис. 7-10).

Рис. 7-10. Гидролиз гликозидной связи.

А. Переваривание углеводов в ротовой полости

В ротовой полости пища измельчается при пережёвывании, смачиваясь при этом слюной. Слюна на 99% состоит из воды и обычно имеет pH 6,8. В слюне присутствует гидролитический фермент α-амилаза (α-1,4-гликозидаза), расщепляющая в крахмале α-1,4-гликозидные связи. В ротовой полости не может происходить полное расщепление крахмала, так как действие фермента на крахмал кратковременно. Кроме того, амилаза слюны не расщепляет α-1,6-гликозидные связи (связи в местах разветвлений), поэтому крахмал переваривается лишь частично с образованием крупных фрагментов — декстринов и небольшого количества мальтозы. Следует отметить, что амилаза слюны не гидролизует гликозидные связи в дисахаридах.

Действие амилазы слюны прекращается в резко кислой среде содержимого желудка (pH 1,5 — 2,5). Однако внутри пищевого комка активность амилазы может некоторое время сохраняться, пока pH не изменится в кислую сторону. Желудочный сок не содержит ферментов, расщепляющих углеводы. В желудочном содержимом возможен лишь незначительный кислотный гидролиз гликозидных связей.

Б. Переваривание углеводов в кишечнике

Последующие этапы переваривания нерасщеплённого или частично расщеплённого крахмала, а также других углеводов пищи происходит в тонком кишечнике в разных его отделах под действием гидролитических ферментов — гликозидаз.

Панкреатическая α -амилаза

В двенадцатиперстной кишке pH среды желудочного содержимого нейтрализуется, так как секрет поджелудочной железы имеет pH 7,5 — 8,0 и содержит бикарбонаты (НСO3-). С секретом поджелудочной железы в кишечник поступает панкреатическая α-амилаза. Этот фермент гидролизует α-1,4-гликозидные связи в крахмале и декстринах.

Продукты переваривания крахмала на этом этапе — дисахарид мальтоза, содержащая 2 остатка глюкозы, связанные α-1,4-связью. Из тех остатков глюкозы, которые в молекуле крахмала находятся в местах разветвления и соединены α-1,6-гликозидной связью, образуется дисахарид изомальтоза. Кроме того, образуются олигосахариды, содержащие 3— 8 остатков глюкозы, связанные α-1,4- и α-1,6-связями (рис. 7-11).

Рис. 7-11. Гидролиз крахмала панкреатической α-амилазой.

α-Амилаза поджелудочной железы, так же, как α-амилаза слюны, действует как эндогликозидаза. Панкреатическая α-амилаза не расщепляет α-1,6-гликозидные связи в крахмале. Этот фермент также не гидролизует β-1,4-гликозидные связи, которыми соединены остатки глюкозы в молекуле целлюлозы. Целлюлоза, таким образом, проходит через кишечник неизменённой. Тем не менее непереваренная целлюлоза выполняет важную функцию балластного вещества, придавая пище дополнительный объём и положительно влияя на процесс переваривания. Кроме того, в толстом кишечнике целлюлоза может подвергаться действию бактериальных ферментов и частично расщепляться с образованием спиртов, органических кислот и СO2. Продукты бактериального расщепления целлюлозы важны как стимуляторы перистальтики кишечника.

Мальтоза, изомальтоза и триозосахариды, образующиеся в верхних отделах кишечника из крахмала, — промежуточные продукты. Дальнейшее их переваривание происходит под действием специфических ферментов в тонком кишечнике. Дисахариды пищи сахароза и лактоза также гидролизуются специфическими дисахаридазами в тонком кишечнике.

Особенность переваривания углеводов в тонком кишечнике заключается в том, что активность специфических олиго- и дисахаридаз в просвете кишечника низкая. Но ферменты активно действуют на поверхности эпителиальных клеток кишечника.

Тонкий кишечник изнутри имеет форму пальцеобразных выростов — ворсинок, покрытых эпителиальными клетками. Эпителиальные клетки, в свою очередь, покрыты микроворсинками, обращёнными в просвет кишечника. Эти клетки вместе с ворсинками образуют щёточную каёмку, благодаря которой увеличивается поверхность контакта гидролитических ферментов и их субстратов в содержимом кишечника. На 1 мм2 поверхности тонкой кишки у человека приходится 80-140 млн ворсинок.

Ферменты, расщепляющие гликозидные связи в дисахаридах (дисахаридазы), образуют ферментативные комплексы, локализованные на наружной поверхности цитоплазматической мембраны энтероцитов.

Сахаразо-изомальтазный комплекс

Этот ферментативный комплекс состоит из двух полипептидных цепей и имеет доменное строение. Сахаразо-изомальтазный комплекс прикрепляется к мембране микроворсинок кишечника с помощью гидрофобного (трансмембранного) домена, образованного N-концевой частью полипептида. Каталитический центр выступает в просвет кишечника (рис. 7-12). Связь этого пищеварительного фермента с мембраной способствует эффективному поглощению продуктов гидролиза клеткой.

Рис. 7-12. Сахаразо-изомальтазный комплекс. 1 — сахараза; 2 — изомальтаза; 3 — связывающий домен; 4 — трансмембранный домен; 5 — цитоплазматический домен.

Сахаразо-изомальтазный комплекс гидролизует сахарозу и изомальтозу, расщепляя α-1,2- и α-1,6-гликозидные связи. Кроме того, оба ферментных домена имеют мальтазную и мальтотриазную активности, гидролизуя α-1,4-гликозидные связи в мальтозе и мальтотриозе (трисахарид, образующийся из крахмала). На долю сахаразо-изомальтазного комплекса приходится 80% от всей мальтазной активности кишечника. Но несмотря на присущую ему высокую мальтазную активность, этот ферментативный комплекс назван в соответствии с основной специфичностью. К тому же сахаразная субъединица — единственный фермент в кишечнике, гидролизующий сахарозу. Изомальтазная субъединица с большей скоростью гидролизует гликозидные связи в изомальтозе, чем в мальтозе и мальтотриозе (рис. 7-13, 7-14).

Рис. 7-13. Действие сахаразо-изомальтазного комплекса на мальтозу и мальтотриозу.

Рис. 7-14. Действие сахаразо-изомальтазного комплекса на изомальтозу и олигосахарид.

В тощей кишке содержание сахаразо-изомальтазного ферментативного комплекса достаточно высокое, но оно снижается в проксимальной и дистальной частях кишечника.

Гликоамилазный комплекс

Этот ферментативный комплекс катализирует гидролиз α-1,4-связи между глюкозными остатками в олигосахаридах, действуя с восстанавливающего конца. По механизму действия этот фермент относят к экзогликозидазам. Комплекс расщепляет также связи в мальтозе, действуя как мальтаза. В гликоамилазный комплекс входят две разные каталитические субъединицы, имеющие небольшие различия в субстратной специфичности. Гликоамилазная активность комплекса наибольшая в нижних отделах тонкого кишечника.

β – Гликозидазный комплекс (лактаза)

Лактаза расщепляет β-1,4-гликозидные связи между галактозой и глюкозой в лактозе (рис. 7-15).

Рис. 7-15. Действие лактазы.

Этот ферментативный комплекс по химической природе является гликопротеином. Лактаза, как и другие гликозидазные комплексы, связана с щёточной каемкой и распределена неравномерно по всему тонкому кишечнику. Активность лактазы колеблется в зависимости от возраста. Так, активность лактазы у плода особенно повышена в поздние сроки беременности и сохраняется на высоком уровне до 5 — 7-летнего возраста. Затем активность фермента снижается, составляя у взрослых 10% от уровня активности, характерного для детей.

Трегалаза — также гликозидазный комплекс, гидролизующий связи между мономерами в трегалозе — дисахариде, содержащемся в грибах. Трегалоза состоит из двух глюкозных остатков, связанных гликозидной связью между первыми аномерными атомами углерода (рис. 7-16).

Рис. 7-16. Строение трегалозы.

Совместное действие всех перечисленных ферментов завершает переваривание пищевых олиго- и полисахаридов с образованием моносахаридов, основной из которых — глюкоза. Кроме глюкозы, из углеводов пищи также образуются фруктоза и галактоза, в меньшем количестве — манноза, ксилоза, арабиноза. Общая схема переваривания углеводов представлена на рис. 7-17.

Рис. 7-17. Переваривание углеводов.

Расщепление
крахмала (и гликогена) начинается в полости рта под действием амилазы слюны.

Известны три
вида амилаз, которые различаются главным образом по конечным продуктам их
ферментативного действия: α-амилаза, β-амилаза и γ-амилаза.
α-Амилаза расщепляет в полисахаридах внутренние α-1,4-свя-зи, поэтому
ее иногда называют эндоамилазой. Молекула α-амилазы содержит в своих
активных центрах ионы Са2+, необходимые для ферментативной
активности. Кроме того, характерной особенностью α-ами-лазы животного
происхождения является способность активироваться одновалентными анионами,
прежде всего ионами хлора.

Под действием
β-амилазы от крахмала отщепляется дисахарид мальтоза, т.е. β-амилаза
является экзоамилазой. Она обнаружена у высших растений, где выполняет важную
роль в мобилизации резервного (запасного) крахмала.

γ-Амилаза
отщепляет один за другим глюкозные остатки от конца полигликозидной цепочки.
Различают кислые и нейтральные γ-амилазы в зависимости от того, в какой
области рН они проявляют максимальную активность. В органах и тканях человека и
млекопитающих кислая γ-ами-лаза локализована в лизосомах, а нейтральная –
в микросомах и гиало-плазме. Амилаза слюны является α-амилазой. Под
влиянием этого фермента происходят первые фазы распада крахмала (или гликогена)
с образованием декстринов (в небольшом количестве образуется и мальтоза). Затем
пища, смешанная со слюной, попадает в желудок.

Желудочный
сок не содержит ферментов, расщепляющих сложные углеводы. В желудке действие
α-амилазы слюны прекращается, так как желудочное содержимое имеет резко
кислую реакцию (рН 1,5–2,5). Однако в более глубоких слоях пищевого комка, куда
не сразу проникает желудочный сок, действие амилазы некоторое время
продолжается и происходит расщепление полисахаридов с образованием декстринов и
мальтозы. Наиболее важная фаза распада крахмала (и гликогена) протекает в
двенадцатиперстной кишке под действием α-амилазы поджелудочного сока.
Здесь рН возрастает приблизительно до нейтральных значений, при этих условиях
α-амилаза панкреатического сока обладает почти максимальной активностью.
Этот фермент завершает превращение крахмала и гликогена в мальтозу, начатое
амилазой слюны. Напомним, что в молекулах амило-пектина и гликогена в точках
ветвления существуют также α(1–>6)-глико-зидные связи. Эти связи в
кишечнике гидролизуются особыми ферментами: амило-1,6-глюкозидазой и
олиго-1,6-глюкозидазой (терминальная декстри-наза).

Таким
образом, расщепление крахмала и гликогена до мальтозы происходит в кишечнике
под действием трех ферментов: панкреатической α-ами-лазы,
амило-1,6-глюкозидазы и олиго-1,6-глюкозидазы.

Образующаяся
мальтоза оказывается только временным продуктом, так как она быстро
гидролизуется под влиянием фермента мальтазы (α-глюкозидазы) на 2 молекулы
глюкозы. Кишечный сок содержит также активную сахаразу, под влиянием которой из
сахарозы образуются глюкоза и фруктоза.

Лактоза,
которая содержится только в молоке, под действием лактазы кишечного сока
расщепляется на глюкозу и галактозу. В конце концов углеводы пищи распадаются
на составляющие их моносахариды (преимущественно глюкоза, фруктоза и
галактоза), которые всасываются кишечной стенкой и затем попадают в кровь.

Следует
заметить, что активность свободных дисахаридаз в просвете кишечника невелика.
Большая часть их ассоциирована с небольшими «выпуклостями» на щеточной каемке
эпителиальных клеток кишечника.

Напомним, что
на внутренней поверхности тонкой кишки располагаются ворсинки. В тощей кишке
человека на 1 мм2 поверхности приходится 22–40, в подвздошной –
18–30 ворсинок. Снаружи ворсинки покрыты кишечным эпителием, клетки которого
имеют множественные выросты – микроворсинки (до 4000 на каждой клетке). На 1 мм2
поверхности тонкой кишки у человека 80–140 млн микроворсинок.

При соответствующей
обработке препаратов над микроворсинками обнаруживается волокнистая сеть,
представляющая собой гликопротеиновый комплекс
– гликокаликс. В поверхностных слоях гликокаликса задерживаются крупные
молекулы и бактерии. Полисахариды не проникают через гликокаликс и, оставшись
нерасщепленными при полостном пищеварении, гидролизуются на поверхности
энтероцитов. Мальтоза, сахароза и лактоза могут гидролизоваться в гликокаликсе.
Такое переваривание получило название пристеночного, или внеклеточного, пищеварения.

Маловероятным
представляется всасывание значительных количеств дисахаридов, так как из
экспериментов с парентеральным их введением известно, что большая часть
дисахаридов, поступивших в кровяное русло, выделяется с мочой неизмененной; это
является тем единственным и притом нефизиологическим случаем, когда дисахариды
появляются в моче.

Скорость
всасывания отдельных моносахаридов различна. Глюкоза и галактоза всасываются
быстрее, чем другие моносахариды. Принято считать, что всасывание маннозы,
ксилозы и арабинозы осуществляется преимущественно путем диффузии, всасывание
же большинства других моносахаридов происходит за счет активного транспорта.

Щеточная
каемка энтероцитов содержит системы переносчиков. Установлено существование
переносчика, способного связывать различными своими участками глюкозу и Na+и переносить их через плазматическую мембрану кишечной клетки. Считают,
что глюкоза и Na+высвобождаются затем в цитозоль,
позволяя переносчику захватить новую порцию «груза». Na+транспортируется
по градиенту концентрации, стимулируя переносчик к транспорту глюкозы против
указанного градиента. Свободная энергия, необходимая для этого активного
транспорта, образуется благодаря гидролизу АТФ связанному с натриевым насосом,
который «откачивает» из клетки Na+в обмен на К+.
Динамика происходящих при этом процессов пока остается недостаточно ясной и в
настоящее время обстоятельно изучается.

Судьба всосавшихся моносахаридов. Более 90% всосавшихся моносахаридов (главным образом
глюкоза) через капилляры кишечных ворсинок попадает в кровеносную систему и с
током крови через воротную вену доставляется прежде всего в печень. Остальное
количество моносахаридов поступает по лимфатическим путям в венозную систему. В
печени значительная часть всосавшейся глюкозы превращается в гликоген, который
откладывается в печеночных клетках в форме своеобразных, видимых под
микроскопом блестящих гранул.

Соседние файлы в папке Lektsii_b

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #