ПИТАНИЕ

Гликоген расщепляется

Активность фермента гликогенсинтазы регулируется путем ковалентной модификации. Этот фермент может находиться в двух формах: гликогенсинтазы I (independent – независимая от глюкозы-6-Ф) и гликогенсинтазы D (dependent – зависимая от глюкозы-6-Ф).

Гликогенолиз, глюконеогенез и гликолиз.

Обмен и функции углеводов.

Переваривание, всасывание. Биосинтез гликогена.

Гликогенолиз, глюконеогенез и гликолиз.

1. Переваривание углеводов, всасывание

2. Синтез гликогена

3. Глюконеогенез, гликолиз

В организме человека имеется несколько десятков разных моносахаридов и очень много разных олиго – и полисахаридов. Функции углеводов в организме заключаются в следующем:

1) Углеводы служат источником энергии: за счет их окисления удовлетворяется примерно половина всей потребности человека в энергии. В энергетическом обмене главная роль принадлежит глюкозе и гликогену.

2) Углеводы входят в состав структурно – функциональных компонентов клеток. К ним относятся пентозы нуклеотидов и нуклеиновых кислот, углеводы гликолипидов и гликопротеинов, гетерополисахариды межклеточного вещества.

3) Из углеводов в организме могут синтезироваться соединения других классов, в частности липиды и некоторые аминокислоты.

Таким образом, углеводы выполняют многообразные функции, и каждая из них жизненно важна для организма. Но если говорить о количественной стороне, то первое место принадлежит использованию углеводов в качестве источника энергии.

Наиболее распространенный углевод животных – глюкоза. Она играет роль связующего звена между энергетическими и пластическими функциями углеводов, поскольку из глюкозы могут образоваться все другие моносахариды, и наоборот – разные моносахариды могут превращаться в глюкозу.

Источником углеводов организма служат углеводы пищи – главным образом крахмал, а также сахароза и лактоза. Кроме того, глюкоза может образовываться в организме из аминокислот, а также из глицерина, входящего в состав жиров.

Переваривание углеводов

Углеводы пищи в пищеварительном тракте распадаются на мономеры при действии гликозидаз – ферментов, катализирующих гидролиз гликозидных связей.

Переваривание крахмала начинается уже в ротовой полости: в слюне содержится фермент амилаза (α-1,4-гликозидаза), расщепляющий α-1,4-гликозидные связи. Поскольку пища в ротовой полости находится недолго, то крахмал здесь переваривается лишь частично. Основным местом переваривания крахмала служит тонкий кишечник, куда поступает амилаза в составе сока поджелудочной железы. Амилаза не гидролизует гликозидную связь в дисахаридах.

Мальтоза, лактоза и сахароза гидролизуются специфическими гликозидазами — мальтазой, лактазой и сахаразой соответственно. Эти ферменты синтезируются в клетках кишечника. Продукты переваривания углеводов (глюкоза, галактоза, фруктоза) поступают в кровь.

Рис.1 Переваривание углеводов

Сохранение постоянства концентрации глюкозы в крови является результатом одновременного протекания двух процессов: поступления глюкозы в кровь из печени и потребления ее из крови тканями, где она и используется на энергетический материал.

Рассмотрим синтез гликогена.

Гликоген – сложный углевод животного происхождения, полимер, мономером которого являются остатки α-глюкозы, которые связаны между собой через 1-4, 1-6 гликозидными связями, но имеют более ветвистое строение, чем крахмал (до 3000 остатков глюкозы). Молекулярный вес гликогена очень велик – ОН лежит в пределах от 1 до 15 миллионов. Очищенный гликоген – белый порошок. Он хорошо растворяется в воде, может быть осажден из раствора спиртом. С «I» дает бурую окраску. В печени находится в виде гранул в комплексе с белками клеток. Количество гликогена в печени может достигнуть 50-70 г – это общий резерв гликогена; составляет от 2 до 8 % массы печени. Гликоген также содержится в мышцах, где он образует локальный резерв, в незначительном количестве он содержится в других органах и тканях, включая жировую ткань. Гликоген в печени представляет собой мобильный резерв углеводов, голодание в течение 24 часов полностью его истощает. По данным Уайта и соавторов, скелетная мышца содержит примерно 2/3 всего гликогена тела (в связи с большой массой мышц большая часть гликогена находится в них) – до 120 г (для мужчины весом 70 кг), но в скелетных мышцах его содержание от 0,5 до 1 % от массы. В отличие от гликогена печени мышечный гликоген не истощается так легко при голодании даже в течение длительного времени. Механизм синтеза гликогена в печени из глюкозы в настоящее время выяснен. В печеночных клетках глюкоза подвергается фосфорилированию при участии фермента гексокиназы с образованием глюкозы-6-Ф.

Рис.2 Схема синтеза гликогена

1. Глюкоза + АТФ гексоки наза Глюкоза-6-Ф + АДФ

2. Глюкоза-6-Ф фосфоглюкомутаза Глюкоза-1-Ф

(вовлекается в синтез)

3. Глюкоза-1-Ф + УТФ глюкозо-1-Ф уридил трансфераза УДФ-1-глюкоза + Н4Р2О7

4. УДФ-1-глюкоза + гликоген гликогенсинтаза Гликоген + УДФ

Образовавшийся УДФ может вновь фосфорилироваться за счет АТФ и весь цикл превращений глюкозы-1-Ф повторяется снова.

Активность фермента гликогенсинтазы регулируется путем ковалентной модификации. Этот фермент может находиться в двух формах: гликогенсинтазы I (independent – независимая от глюкозы-6-Ф) и гликогенсинтазы D (dependent – зависимая от глюкозы-6-Ф).

Протеинкиназа фосфорилирует при участии АТФ (не фосфорилирует форму I-фермента, переводя ее в фосфорилированную форму D-фермента, у которого фосфорилированы гидроксильные группы серина).

АТФ + ГС – ОН протеинкиназа АДФ + ГС – О – Р – ОН

Гликогенсинтаза I Гликогенсинтаза D

I-форма гликогенсинтазы более активна, чем D-форма, однако, D-форма является аллостерическим ферментов, активируемым специфическим оферентом – глюкоза-6-Ф. В покоящейся мышце фермент находится в I-форме не фосфорилир. активной форме, в сокращающей мышце фермент фосфорилирован D-формой и почти неактивен. В присутствии достаточно высокой концентрации глюкозо-6-фосфата D-форма проявляет полную активность. Следовательно, фосфорилирование и дефосфорилирование гликоген синтазы играет ключевую роль в тонкой регуляции синтеза гликогена.

Регуляция синтеза гликогена:

В регуляции сахара в крови большую роль играет ряд эндокринных желез, в частности поджелудочная железа.

Инсулин образуется в В-клетках островков Лангерганса поджелудочной железы в виде проинсулина. При превращении в инсулин полипептидная цепь проинсулина расщепляется в двух точках, вычленяется средний неактивный фрагмент из 22 аминокислотных остатков.

Инсулин снижает содержание сахара в крови, задерживает распад гликогена в печени и способствует отложению гликогена в мышцах.

Гормон глюкагон действует в противоположность инсулину как гиперглинемический.

Надпочечники также принимают участие в регуляции содержания сахара в крови. Импульсы со стороны ЦНС вызывают добавочное выделение адреналина, образующегося в мозговом веществе надпочечников. Адреналин повышает активность фермента фосфогилазы, который стимулирует расщепление гликогена. В результате содержание сахара в крови повышается. Наступает так называемый гипергликелин (эмоциональное возбуждение перед стартом, перед экзаменом).

Кортикостероиды в отличие от адреналина стимулируют образование глюкозы из безазотистых остатков аминокислот.

Благодаря способности к отложению гликогена в основном в печени и мышцах, и в меньшей степени в других органах и тканях создаются условия для накопления в норме резервов углеводов. При повышении энергозатрат происходит усиление распада гликогена до глюкозы.

Мобилизация гликогена может протекать двумя путями: 1-й – фосфоролитическим и 2-ой – гидролитическим.

Фосфоролиз играет ключевую роль в мобилизации гликогена, переводя его из запасной в метаболически активную форму в присутствии фермента фосфорилазы.

Рис.3 Гормональная регуляция фосфоролитического отщепления остатка глюкозы от гликогена.

Процесс распада гликогена начинается с действия гормонов адреналина и глюкагона, которые неактивную аденилатциклазу переводят в активную. Она в свою очередь способствует образованию из АТФ – цАМФ. Под действием активной протеинкиназы и киназы фосфорилазы «в» происходит превращение неактивной фосфорилазы «в» в активную «а».

Фермент фосфорилаза существует в двух формах: фосфорилазы «в» — неактивная (димер), фосфорилазы «а» — активная (тетрамер). Каждая из субъединиц содержит остаток фосфосерина, который имеет важное значение для каталитической активности и молекулу кофермента пиридоксальфосфата, связанную ковалентной связью с остатком лизина.

2 м. фосфорилазы «в» + 4 АТФ Mg ++ 1м. фосфорилазы «а» + 4 АДФ

Киназа фосфорилазы активная действует на гликоген в присутствии Н3РО4, что приводит к образованию глюкозо-1-фосфата. Образовавшийся глюкозо-1-фосфат под действием фосфоглюкомутазы превращается в глюкозо-6-фосфат. Образование свободной глюкозы происходит под действием глюкозо-6-фосфатазы.

Глюконеогенез

Синтез гликогена может осуществляться и из неуглеводных субстратов, этот процесс получил название глюконеогенеза. Субстратом в глюконеогенезе может выступить лактат (молочная кислота), образовавшаяся при анаэробном окислении глюкозы

(гликолизе). За счет простого обращения реакций гликолиза этот процесс протекать не может из-за нарушения констант равновесия, катализируемых рядом ферментов.

Рис.4 Гликолиз и глюконеогенез

Обращение этих реакций достигается в результате следующих процессов:

Основной путь превращения ПВК в оксалоацетат локализован в митохондриях. После прохождения через мембрану митохондрий

ПВК карбоксилируетсядо оксалоацетата и выходит из митохондрий в форме малата (этот путь в количественном отношении более важен) и вновь в цитоплазме превращается в оксалоацетат. Образовавшийся оксалоацетат в цитоплазме происходит его превращение до глюкозы-6-Ф. Дефосфорилирование ее осуществляется глюкозо-6-фосфатазой в эндоплазматической ретикулуме, до глюкозы.

Гликолиз – сложный ферментативный процесс превращения глюкозы, протекающий при недостаточном потреблении О2. Конечным продуктом гликолиза является молочная кислота.

Рис.4 Гликолиз и глюконеогенез

Суммарное уравнение гликолиза можно представить следующим образом:

С6Н12О6 + 2АДФ + 2ФН 2CН3СН(ОН)СООН + 2АТФ + 2Н2О

Биологическое значение гликолиза:

I. Обратимость гликолиза – из молочной кислоты вследствие глюконеогенеза может образоваться глюкоза.

II. Образование фосфорилированных соединений – гексоз и триоз, которые легче превращаются в организме.

III. Процесс гликолиза очень важен в условиях высокогорья, при кратковременной физической нагрузке, а так же при заболеваниях, сопровождающихся гипоксией.

Источник

Глава 4. Углеводный обмен

Глава 4. Углеводный обмен

Раздел 1. Значение изучаемой темы

Знание обмена углеводов необходимо будущему врачу любой специальности. Углеводы являются одним из главных источников энергии для организма, а также важным компонентом многих внутриклеточных и внеклеточных структур; из углеводов образуются вещества других классов (жиры и заменимые аминокислоты). Нарушения в обмене углеводов приводят к таким заболеваниям как гликогенозы, дисахаридозы, галактоземия, фруктозурия. Знание гормональной регуляции обмена углеводов в целом и уровня глюкозы в крови, в частности, необходимо для правильного прочтения, оценки и использования данных биохимических анализов при постановке диагноза и лечения таких заболеваний как сахарный диабет, феохромацитома, стероидный диабет и других.

Раздел 2. Сведения об углеводном обмене

Функции углеводов

Углеводы — это оксопроизводные многоатомных спиртов и продукты их конденсации. В организме человека выполняют важные функции:

— обеспечивают значительную часть энергетических потребностей (около 57% суточного калоригенеза);

— являются составными частями более сложных соединений;

— из них могут синтезироваться соединения других классов, в частно­сти, липиды и заменимые аминокислоты;

— выполняют структурообразовательную функцию, то есть входят в состав клеточных и межклеточных структур;

— выполняют специфические функции.

Переваривание и всасывание углеводов

Попадающие с пищей углеводы подвергаются в организме перева­риванию. В этом процессе участвуют следующие ферменты:

— a-амилаза слюны и a-амилаза поджелудочной железы. Эти ферменты расщепляют a-1,4-гликозидные связи в крахмале и гликогене, действуют в слабощелочной среде, активируются ионами хлора и стабилизируются ионами кальция;

— амило-1,6-гликозидаза вырабатывается в кишечнике, расщепляет 1,6-гликозидные связи к крахмале и гликогене;

— сахараза образуется в кишечнике и расщепляет сахарозу с образо­ванием глюкозы и фруктозы;

— мальтаза образуется в кишечнике и расщепляет мальтозу на две молекулы глюкозы;

— лактаза образуется там же, расщепляет лактозу с образованием галактозы и глюкозы.

Таким образом, пищевые углеводы в ЖКТ расщепляются до моно­сахаридов — глюкозы, фруктозы и галактозы, которые всасываются путем активного транспорта или диффузно и попадают в кровь, а затем в печень.

Роль печени в обмене углеводов

Печень в обмене углеводов выполняет важные функции:

1. Унификация моносахаридов. Превращение галактозы и фруктозы в глюкозу или метаболиты ее обмена.

2. Гликогенная функция. При избытке глюкозы в крови в печени происходит синтез гликогена, при ее снижении в крови гликоген печени рас­щепляется до глюкозы и, таким образом, ее концентрация в крови восстанав­ливается до нормального уровня.

3. Синтез углеводов из метаболитов неуглеводного характера (глюконеогенез).

4. Синтез гликопротеинов крови.

5. Образование глюкуроновой кислоты, которая участвует в обез­вреживании экзогенных и эндогенных токсинов (например, билирубина), а также в инактивации гормонов.

Образование активной формы глюкозы и значение этой реакции

Активация глюкозы происходит путем фосфорилирования под дей­ствием ферментов киназ. В печени работают две киназы: гексокиназа и глю­кокиназа, в других органах, в том числе и в мышцах, — гексокиназа. Эти фер­менты катализируют перенос Н3РО4 с АТФ на глюкозу с образованием глю­козо-6-фосфата. Различие между этими ферментами заключается в разном сродстве к глюкозе. У гексокиназы оно выше, чем у глюкокиназы. Поэтому мышца, а не печень, в первую очередь будет использовать глюкозу. Но когда глюкозы много в крови, тогда и печень будет получать глюкозы достаточно и синтези­ровать гликоген. Глюкозо-6-фосфат является центральным метаболитом углеводного обмена, имеет более высокую энергию по сравнению с глюко­зой и легко вступает в дальнейшие превращения. Кроме того, в отличие от глюкозы, глюкозо-6-фосфат не может выходить из клеток.

Синтез и распад гликогена

Синтез гликогена происходит с участием нескольких ферментов: гексоки­назы, фосфоглюкомутазы (переводит глюкозо-6-фосфат в глюкозо-1-фос­фат), уридилтрансферазы (образует УДФ-глюкозу), гликогенсинтетазы (переносит глюкозу с УДФ-глюкозы на имеющуюся молекулу гликогена и присоединяет ее 1,4-гликозидной связью). Таким образом, чтобы удлинить молекулу гликогена на одно звено глюкозы необходимо затратить 2 макроэрга (АТФ и УТФ). Ветвление гликогена происходит под влиянием ветвящего фермента.

Распад гликогена происходит двумя путями:

1. Гидролитический путь идет в лизосомах клеток под действием g — амилазы при участии воды без образования промежуточных продуктов.

2. Фосфоролитический путь (фосфоролиз) идет в цитоплазме под действием фосфорной кислоты с образованием промежуточных продуктов, катализи­руется несколькими ферментами.

Оба способа расщепления гликогена приводят к образованию глюкозы. В мышцах фосфоролиз заканчивается на глюкозо-6-фосфате, так как в них нет глюкозо-6-фосфатазы. Таким образом, только печень является источником глюкозы для крови.

Ключевыми ферментами синтеза гликогена являются: гексокиназа и гли­когенсинтетаза, распада гликогена — фосфорилаза и глюкозо-6-фосфатаза. Синтез гликогена усиливается инсулином, распад стимулируется катехола­минами, глюкагоном, глюкокортикостероидами, цАМФ и Са2+.

Гликолиз. Значение. Регуляция.

Гликолиз — это расщепление глюкозы до молочной кислоты в анаэробных условиях. Гликолиз, проходящий в аэробных условиях, называют аэробным.

Гликолиз состоит из двух стадий: подготовительной и главной.

В подготовительной стадии глюкоза расщепляется с образованием диоксиацентонфосфата (ДОАФ) и 3-фосфоглицеринового альдегида, при этом рас-ходу­ются 2 молекулы АТФ;

В главной стадии фосфотриозы превращаются в лактат (молочную кислоту), при этом образуются 4 молекулы АТФ. Синтез АТФ в гликолизе происходит путем субстратного фосфорилирования.

Таким образом, анаэробное окисление глюкозы приводит к образованию 2 молекул лактата и 2 молекул АТФ.

Ключевыми ферментами гликолиза являются: гексокиназа (начальный фермент), фосфофруктокиназа (лимитирующий фермент), пируваткиназа. АТФ и цитрат ингибируют фосфофрукто­киназу, АДФ — активирует.

Преимущества гликолиза:

Недостатки гликолиза:

— продуктом гликолиза является лактат, накопление которого в

клет­ках и в крови вызывает метаболический ацидоз.

Глюконеогенез. Значение. Регуляция.

Гликогенолиз — это анаэробное окисление гликогена с образованием мо­лочной кислоты. Окисление каждой отщепленной от гликогена моле­кулы глюкозы приводит к образованию 3 молекул АТФ. Ключевыми фер­ментами гликогенолиза являются: фосфорилаза, фосфофруктокиназа и пируваткиназа. Гликогенолиз усиливается катехоламинами, глюкагоном, цАМФ, Са2+.

Глюконеогенез — это синтез глюкозы из неуглеводных предшественников (лактата, пирувата, оксалоацетата, глицерина, аминокислот). По направлению реакций глюконеогенез (ГНГ) напоминает гликолиз наоборот. Однако ГНГ не является простым обращением гликолиза, так как в нем три фермента (гексокиназа, фосфофруктокиназа, пируваткиназа) катализируют необрати­мые реакции и поэтому в глюконеогенезе работать не могут. Они заменяются другими ферментами. Так, пируватки­наза заменена двумя ферментами пируваткарбоксилазой и фос­фоенолпируваткарбоксикиназой (ФЕПКК); фосфофруктокиназа — фрук­тозо-1,6-дифосфатазой; гексокиназа — глюкозо-6-фосфатазой.

На образование 1 молекулы глюкозы расходуется 6 макроэргов (4 АТФ и 2 ГТФ). ГНГ локализован в цитоплазме гепатоцитов печени, в клетках коры почек и тонкого кишечника. Около 90% лактата, используемого в глюконеогенезе, поступает в печень, 10% — в почки и тонкий кишечник.

1. Является важным источником глюкозы в организме;

2. Удаляет большую часть лактата из клеток и тканей, работаю­щих в анаэробных условиях, что предохраняет их от метаболического аци­доза. ГНГ особенно важен после интенсивной мышечной работы, когда накапливается лактат. 20-30% лактата может окисляться до СО2 и Н2О в самой мышце, 70-80% используется в ГНГ на образование глюкозы. Так как в мышце нет ГНГ, лактат из нее поступает в кровь, затем в печень, где превра­щается в глюкозу, которая кровью разносится всем органам и тканям, в том числе и мышцам. Таким образом, между печенью и мыщцей существует взаимосвязь, так называемый цикл Кори (глюкозо-лактатный цикл).

Ключевыми ферментами ГНГ являются: пируваткарбоксилаза, ФЕПКК, фрук­тозо-1,6-дифосфатаза, глюкозо-6-фосфатаза.

ГНГ усиливают: глюкагон, катехоламины, глюкокортикостероиды, ацетил-КоА, АТФ, цАМФ, Са2+. Тормозят глюконеогенез: инсулин, АДФ, этанол.

Источники глюкозо-6-фосфата: 1) во всех клетках образуется из глюкозы в ходе гексокиназной реакции; 2) в печени и мышцах образуется в ходе фос­форолиза из гликогена; 3) в печени, мышцах, тонком кишечнике — в резуль­тате ГНГ; 4) в печени — в результате унификации моносахаридов.

Пути использования глюкозо-6-фосфата: 1) синтез гликогена; 2) окисление до лактата в анаэробных условиях и до СО2 и Н2О в аэробных; 3) окисление в пентозофосфатном пути; 4)превращение в глюкозу (в печени, тонком ки­шечнике и коре почек).

Пентозофосфатный путь (ПФП)

Это прямое окисление глюкозо-6-фосфата. Состоит из двух частей: окисли­тельной (необратимой) и неокислительной (обратимой). В ходе окислитель­ной части ПФП при участии глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы и 6-фосфоглю­конатдегидрогеназы глюкозо-6-фосфат окисляется с образованием рибозо-5-фосфата, СО2, 2 молекул НАДФН. В неокислительной части ПФП из каждых трех молекул рибозо-5-фосфата образуются 1 молекула фосфоглицерино­вого альдегида и 2 молекулы фруктозо-6-фосфата. Дальнейшая судьба этих метаболитов известна: они могут либо окисляться в гликолизе и, в зависимо­сти от условий, превращаться в лактат или пируват, либо использоваться в ГНГ на образование глюкозы. Если метаболиты окислительной части ПФП будут использоваться в ГНГ, тогда будет иметь место замыкание процесса, то есть ПФП примет вид цикла. Для протекания неокислительной части ПФП необходим витамин В1.

Значение ПФП: 1) энергетическое — образующиеся метаболиты окислитель­ной части могут использоваться в гликолизе; 2) синтетическое — связано с использованием рибозо-5-фосфата и НАДФН. Рибозо-5-фосфат использу­ется на синтез нуклеотидов, которые необходимы для образования кофер­ментов, макроэргов, нуклеиновых кислот. НАДФН необходим для восстано­вительных биосинтезов (для работы редуктаз в синтезе холестерина и жирных кислот; в образовании дезоксирибозы из рибозы; для восстановления глутатиона, в образовании глутамата из 2-оксоглутарата); для работы гидроксилаз, участ­вующих в синтезе катехоламинов, серотонина, стероидных гормонов, желч­ных кислот, активной формы витамина Д, синтезе коллагена, обезвреживании ксенобиотиков; используется в трансгидрогеназной реакции.

ПФП локализован в цитозоле клеток. Он особенно активен в тканях эмбриона и плода, лимфоидной и миелоидной тканях, слизистой тонкого кишеч-ника, жировой ткани, эндокринных железах (надпочечники, половые), молочных железах (в период лактации), печени, эритроцитах, пульпе зуба, зачатках эмали зуба, при гипертрофии органов. ПФП мало акти­вен в нервной, мышечной и соединительной тканях. ПФП способствует про­зрачности хрусталика глаза; предупреждает гемолиз эритроцитов; входит в систему защиты от свободных радикалов и активных форм кислорода.

Регуляция ПФП: ключевыми ферментами являются — глюкозо-6-фосфатде­гидрогеназа, 6-фосфоглюконатдегидрогеназа, транскетолаза. Активность ПФП увеличивается при повышении отношения НАДФ+/ НАДФН, а также под влиянием инсулина и йодтиронинов. ПФП ингибируют глюко­кортикостероиды.

Концентрация глюкозы в крови поддерживается на постоянном уровне 3,3 — 5,5 ммоль/л. Он обеспечивается двумя противоположно направленными процес­сами: 1. поставляющими глюкозу в кровь (переваривание угле­водов в ЖКТ, ГНГ, распад гликогена печени) и 2. использующими глюкозу в тканях (гликолиз, синтез гликогена, ПФП, синтез жира). При очень высокой концентрации глюкозы в крови (> 9 – 10 ммоль/л), она может быть снижена за счет выведения ее с мочой. Такое явление называют глюкозурией. В норме концентрация глюкозы в моче составляет 0,2 — 1,2 ммоль/л.

Гормоны, повышающие концентра­цию глюкозы в крови, называются гипергликемическими, к ним относятся: глюкагон, катехоламины, глюкокортикосте-роиды и соматотропин (соматотропный гормон). Гормоны, снижающие концентрацию глюкозы в крови, называются гипогликемическими. Гипогликемическим гормоном является инсулин. Гиперг­ликемические гормоны повышают глюкозу крови за счет усиления распада гликогена печени и стимуляции ГНГ. Инсулин снижает глюкозу крови благо­даря: 1) увеличению проницаемости клеточных мембран для глюкозы; 2) ингибированию процессов, поставляющих глюкозу (ГНГ, распад гликогена печени); 3) усилению процессов, использующих глюкозу (гликолиз, синтез гликогена, ПФП. синтез жира).

Патологии углеводного обмена

Среди патологий углеводного обмена можно выделить такие, причиной ко­торых является наследственная или приобретенная недостаточность ферментов. К таким болезням относятся дисахаридозы, гликогенозы, агликоге­нозы, галактоземия.

Дисахаридозы вызваны недостаточностью дисахаридаз. При этом возникает непереносимость отдельных видов углеводов, например лактозы. Дисахариды подвергаются действию ферментов микрофлоры кишечника. При этом образуются кислоты и газы. Симптомами дисахаридозов являются метеоризм, понос.

Гликогенозы. В этом случае нарушен распад гликогена. Гликоген накапли­вается в клетках в больших количествах, что может привести к их разруше­нию. Клинические симптомы: увеличение размеров печени, мышечная сла­бость, гипогликемия натощак. Известно несколько типов гликогенозов. Они могут быть вызваны недостаточностью глюкозо-6-фосфатазы, фосфорилазы или g-ами-лазы.

Агликогенозы вызываются недостаточностью ферментов, участвующих в синтезе гликогена. В результате нарушается синтез гликогена и снижается его содержание в клетках. Симптомы: резкая гипогликемия натощак, особенно после ночного перерыва в кормлении. Гипогликемия приводит к отставанию в умственном развитии. Больные погибают в детском возрасте.

Галактоземия возникает при отсутствии гена, отвечающего за синтез уридил­трансферазы – ключевого фермента унификации галактозы. В результате в тканях накапливается галактоза и галактозо-1-фосфат, вызывая повреждение головного мозга и печени, а также помутнение хрусталика (катаракту). Свободная галактоза у таких больных в больших количествах обнаруживается в крови. Для лечения используется диета без молока и молочных продуктов.

Другим видом патологий углеводного обмена является нарушение го­меостаза глюкозы, которое характеризуется гипер — или гипогликемией.

Гипергликемия — это повышение концентрации глюкозы в крови. При­чины гипергликемии:1) алиментарная (пищевая); 2) сахарный диабет (возникает при недостатке инсулина); 3) патология ЦНС (менингит, энцефа­лит); 4) стресс; 5) избыток гипергликемических гормонов; 6) повреждение островков поджелудочной железы (панкреатит, кровоизлияния). Невысокая и кратковременная гипер-гликемия не опасна. Длительная гипергликемия приводит к истощению запасов инсулина (что является одной из причин сахарного диабета), потере воды тканями, поступлению ее в кровь, увеличению кровяного давления, увеличе­нию диуреза. Гипергликемия в 50-60 ммоль/л может привести к гиперосмо­лярной коме.

Длительная гипергликемия приводит к неферментативному гликозили­рованию белков плазмы крови, эритроцитов, кровеносных сосудов, почеч­ных канальцев, нейронов, хрусталика, коллагена. Это изме­няет их свойства, что является причиной тяжелых осложнений: тканевых гипоксий, склерозирования сосудов, катаракты, почечной недостаточности, нарушения нервной проводимости, снижения срока жизни эритроцитов и т. д.

Гипогликемия это снижение концентрации глюкозы в крови.

Причины гипогликемии: 1) пищевая; 2) усиленное использование глюкозы (при тяжелой мышечной ра­боте); 3) патология ЖКТ (воспалительные процессы); 4) патология печени; 5) пато­логия ЦНС; 6) недостаток гипергликемических гормонов; 7) избыток инсулина (опухоль поджелудочной железы, передозировка инсулина). Гипогликемия очень опасна, так как приводит к гипогликемической коме.

Раздел 3. Лабораторно-практические занятия

1. Тема: Переваривание углеводов. Обмен гликогена.

2. Форма учебного процесса: Лабораторно-практическое занятие.

3. Актуальность: Углеводы играют важную роль в жизнедеятельности организма, так как входят в состав структурных элементов клеток всех органов и тканей, явля­ются важным источником энергии. Студенты должны хорошо изучить данный раздел, по­скольку с нарушениями обмена углеводов связаны такие заболевания как дисахаридозы, гликогенозы, агликогенозы и другие.

4. Цель общая:

4.1.1. Изучить переваривание углеводов и пути использования продуктов, роль печени в обмене углеводов, биохимические основы патологии процессов обмена углеводов.

4.1.2. Научиться определять активность амилазы в крови, слюне и моче, оценивать полученные результаты.

4.2. Конкретные цели:

1. Определение и классификация углеводов.

2. Строение моносахаридов, дисахаридов и полисахаридов.

3. Функции углеводов.

4. Переваривание углеводов пищи.

5. Роль печени в обмене углеводов.

6. Обмен гликогена. Регуляция обмена гликогена.

7. Патология обмена углеводов.

1. Использовать знание данной темы для решения ситуационных задач.

2. Научиться определять активность амилазы в крови, моче и слюне.

3. Интерпретировать полученные в ходе лабораторных исследований

результаты в соответствии с диагностическим значением.

Вопросы для самостоятельной подготовки к занятию

Исходный уровень знаний:

1. Определение и классификация углеводов.

2. Строение моносахаридов, дисахаридов, крахмала и гликогена.

3. Представление о первом этапе катаболизма углеводов.

4. Понятие о киназах, лиазах и гидролазах.

По новой теме:

1. Переваривание и всасывание углеводов.

2. Нарушение переваривания и всасывания углеводов.

3. Роль печени в обмене углеводов.

4. Унификация углеводов.

5. Синтез и распад гликогена, регуляция процессов.

6. Нарушение обмена гликогена.

Рекомендуемая литература

1. Конспект лекций.

2. , , «Биологическая химия», 1990, стр. 238-266.

3. , » Биологическая химия», 1989, стр. 232-255.

Учебно-исследовательская работа студентов на занятии

1. Проделать лабораторную работу “Определение активности амилазы в крови, слюне и моче”.

2. Сделать выводы по результатам проведенных биохимических анализов.

2. Подготовиться к защите лабораторной работы (ориентировочные задачи и вопросы приведены ниже).

Лабораторная работа

1. Определение активности a-амилазы в крови

Источник

Гликоген расщепляется

Углеводный обмен Углеводы входят в состав многих продуктов питания, что позволяет покрывать потребность организма человека в энергии примерно на 60%. Попадая в пищеварительный тракт, сложные углеводы (в основном это полисахариды, например, крахмал) под действием ферментов перевариваются (расщепляются) до простых углеводов (олиго- или моносахаридов) и, всасываясь через слизистую оболочку желудочно-кишечного тракта, попадают в кровь.

К моносахаридам относится глюкоза, фруктоза, галактоза и другие формы. Однако в организме человека среди абсорбированных моносахаридов преобладает глюкоза, доля которой составляет до 80%. То есть, большинство углеводов, которые поступают в организм с пищей, метаболизируются до глюкозы.

В случае возникновения дефицита глюкозы в организме (при ее ограниченном поступлении, например, при голодании или низкоуглеводной диете), некоторые клетки могут превращать неуглеводные продукты (белки и жиры) в глюкозу. Этот процесс называется глюконеогенез. В нем, как правило, участвуют клетки печени, почек и некоторые клетки кишечника (доля этих клеток в кишечнике составляет примерно 1-3%).

Важная роль глюкозы. Цикл Кребса

Глюкоза выполняет роль источника энергии и участвует в обменном процессе на клеточном уровне (то есть, внутри клеток). Клетки аэробного организма способны создавать энергетический запас путем метаболического окисления глюкозы, когда глюкоза вступает в химическую реакцию с кислородом. В результате этой реакции в клетке образуется вода и углекислый газ (диоксид углерода). То есть, аккумулируема в молекуле глюкозы энергия расходуется с целью образования энергоемкого (макроэргического) соединения – из молекулы АДФ (адезиндифосфата) в молекулу АТФ (адезинтрифосфата). В молекуле АТФ содержится энергия необходимая для большого количества внутриклеточных биохимических реакций (см рис 1).

Рисунок 1. Глюкоза является ключевым элементом в клеточном метаболизме (обмене веществ), обеспечивая энергией большое количество химических реакций, благодаря которым клетка выполняет свои функции

Запас энергии путем создания макроэргических связей молекулы АТФ проходит в клетках при участии глюкозы двумя метаболическими путями (см рис 2):

гликолиз (путь Эмбдена-Мейергофа) с образованием 2-х молекул АТФ и 2-х молекул лактата; в этом случае катаболизм глюкозы проходит без кислорода;
цикл Кребса в совокупности с дыхательным путем дает возможность получить 38 молекул АТФ с конечными метаболитами в виде воды (H2O) и углекислого газа (CO2); катаболизм глюкозы проходит с участием кислорода.

Рисунок 2. Упрощенная схема процесса окисления глюкозы в клетке

Процесс образования энергии начинается с гликолиза, когда глюкоза проходит десять последовательных ферментативных реакций, что приводит к образованию пирувата (пировиноградной кислоты). Дальнейшая реакция пировиноградной кислоты зависит непосредственно от доступности кислорода в клетке. При условии нормального уровня содержания кислорода, в митохондриях клетки пировиноградная кислота превращается в ацетил-кофермент А (ацетиломКоА), который вступает в цикл Кребса и конденсируется с оксалоацетатом (щавеливоуксусной кислотой), в результате чего образуется лимонная кислота. Последующие девять ферментативных реакций сопровождаются превращением молекулы лимонной кислоты обратно в молекулу щавеливоуксусной кислоты, которая способна опять конденсироваться с ацетил-коферментом А, поставляемого в процессе катаболического преобразования глюкозы.

При участии в катаболизме одной молекулы глюкозы при наличии кислорода образуется 8 молекул АТФ и 2 молекулы пировиноградной кислоты. Дальнейшее преобразование двух молекул пировиноградной кислоты в пируватдегидрогеназном комплексе и цикле Кребса, а потом при работе дыхательной цепи образуется еще 30 молекул АТФ. В результате, при окислении одной молекулы глюкозы с образованием воды и углекислого газа, образуется 38 молекул АТФ с макроэргическими связями.

В случае дефицита кислорода процесс окисления глюкозы происходит путем гликолиза. При этом в митохондрии, содержащих ферменты цикла Кребса и пируватдегидрогеназного комплекса, не поступает пировиноградная кислота. В цитоплазме пируват (пировиноградная кислота) преобразуется в лактат (молочную кислоты).

Отметим, что лактоацидоз – накопление в крови большого количества молочной кислоты – сопровождает многие заболевания, вызванные нарушением кровоснабжения тканей (что, собственно, приводит к гипоксии тканей). Лактоацидоз является прямым следствием гликолиза в тканях с недостаточным обеспечением кислорода (окигенацией), то есть анаэробного гликолиза.

Значение нормального уровня глюкозы в крови

Нервные клетки, в том числе и клетки головного мозга, не способны создавать и накапливать глюкозу, в отличие от других клеток человеческого организма. Поэтому обеспечение энергетических потребностей нервной системы полностью зависит от поступления глюкозы из крови. Для обеспечения полноценного функционирования нервных клеток минимальный уровень глюкозы в крови должен быть примерно 4,0 ммоль/л. Также уровень глюкозы в крови не должен быть очень высоким.

Глюкоза является осмотически-активным веществом, то есть при увеличении ее уровня концентрации в крови, в соответствии с законами осмотического давления, жидкость из тканей поступает в кровь. В результате обезвоживания тканей наступает относительная дегидратация – потенциально опасный для здоровья человека эффект. Если уровень глюкозы в крови превышает определенное значения (10,0-11,0 ммоль/л), наступает почечный порог – состояние, при котором почки начинают выводить из организма глюкозу с мочой, чтобы компенсировать эффект дегидратации. В этом случае организм теряет свой важный источник энергии – глюкозу.

То есть, в нормальном состоянии уровень глюкозы в крови не должен превышать пороговое значение, в противном случае организм начнет терять один из основных источников энергии, при этом концентрация сахара не должна сильно снижаться, чтобы сохранить полноценное обеспечение энергией нервной системы.

Депонирование глюкозы

В организме человека глюкоза может накапливаться. Несмотря на то, что в глюкозе, как источнике энергии, нуждаются все клетки организма, разница в ее потребности у разных клеток довольно существенная. Кроме этого, в зависимости от времени суток, потребность в глюкозе клеток одного типа также меняется. Например, потребность миоцитов (клеток мускулатуры) достигает своего максимума при выполнении физической нагрузки и минимума – во время отдыха и сна.

Потребность клеток в глюкозе не всегда совпадает по времени с приемом пищи. Поэтому организм делает депонирует (запасает) глюкозу, которая поступает в организм с пищей, чтобы в дальнейшем, по мере необходимости клеток в энергии, использовать ее. В организме человека есть много видов клеток, способных накапливать глюкозу в ограниченных количествах, основными из которых являются:

  • Гепатоциты – клетки печени
  • Миоциты – мышечные клетки
  • Адипоциты – жировые клетки

Когда потребность организма в глюкозе низкая, а уровень в крови высокий (например, после приема пищи), эти клетки ее отбирают из крови и сохраняют. И наоборот, когда повышается потребность организма в глюкозе, а ее уровень в крови низкий (например, между приемами пищи, во время интенсивной физической нагрузки и т.д.), клетки высвобождают накопленную глюкозу, тем самым компенсируя дефицит.

Мышечные клетки и гепатоциты накапливают глюкозу в виде гликогена, который является высокомолекулярным полимером глюкозы. Гликоген синтезируется из глюкозы путем ферментативного процесса – гликогенеза. Обратный процесс, при котором глюкоза покидает депо, называется гликогенолиз. Процесс гликогенолиза начинается в ответ на снижение уровня глюкозы в крови. Также глюкоза может накапливаться в адипоцитах (жировых клетках) путем липогенеза. При липогенезе глюкоза преобразуется в глицерин, который входит в состав триглицеридов – запасную форму жиров. Чтобы обеспечить клетки энергией, в процессе липолиза триглицериды мобилизуются, покрывая недостаток потребностей организма. Отметим, что процесс липолиза начинается только в том случае, когда в организме исчерпаны запасы гликогена. То есть, жиры обеспечивают долгосрочное депонирование глюкозы, а гликоген – краткосрочное.

Способы поддержания нормального уровня глюкозы в крови

Несмотря на то, что на протяжение дня поступление глюкозы в организм и ее расход могут значительно колебаться, концентрация сахара в крови не опускается ниже 3,4 ммоль/л и не увеличивается выше 8,0 ммоль/л. Типичные суточные колебания уровня сахара крови продемонстрированы на рисунке 3.

Рисунок 3. Изменение уровня глюкозы в крови у здорового человека в течение суток

После приема пищи уровень сахара в крови повышается. Попадая в организм с продуктами питания, сахар проникает через стенки кишечника в кровь, откуда поступает в клетки для обеспечения энергетических потребностей. Мышечные клетки и гепатоциты депонируют неиспользованную глюкозу в виде гликогена. В промежутке между приемами пищи уровень сахара в крови снижается, поэтому, для подержания необходимого уровня в крови, глюкоза мобилизуется из депо. При необходимости организм может получать глюкозу путем глюконеогенеза из неуглеводных источников, например, белков.

Все метаболические преобразования глюкозы (гликогенолиз, гликогенез, липолиз и т.д.), а также процесс депонирования в клетках, регулируется эндокринной системой – контролируется гормонами, выделение (секреция) которых зависит от уровня глюкозы в крови.

Роль эндокринной системы в углеводном обмене

Самую важную роль в регуляции уровня сахара в крови играют инсулин и глюкагон – гормоны поджелудочной железы.

Инсулин обеспечивает метаболические процессы, благодаря которым уровень глюкозы в крови снижается за счет следующих механизмов:

— с помощью инсулина происходит захват клетками организма глюкозы из крови; при этом от инсулина не зависит захват глюкозы нервными клетками и гепатоцитами;

— инсулин стимулирует гликолиз – процесс внутриклеточного обмена, при котором глюкоза метаболизируется до пировиноградная кислота;

— активирует гликогенез – процесс преобразования миоцитами и гепатоцитами глюкозы в гликоген;

— стимуляция липогенеза – процесс преобразования жировыми клетками глюкозы в триглицериды;

— торможение (ингибирование) глюконеогенеза – процесса синтеза (образования) глюкозы из неуглеводных продуктов (например, протеинов).

В ответ на повышение уровня глюкозы в крови, β-клетки поджелудочной железы продуцируют инсулин. Действие инсулина происходит посредством связей с инсулиновыми рецепторами, находящихся на поверхности инсулиночувствительных клеток. То есть, при повышении концентрации сахара в крови, нормальный гормональный ответ зависит от следующих факторов:

— полноценной функции β-клеток поджелудочной железы, что позволяет продуцировать необходимое количество инсулина;

— функциональной активности и количества инсулиновых рецепторов инсулиночувствительных клеток.

В случае нарушения хотя-бы любого (или обоих) из этих условий, уровень сахара в крови будет высоким.

Глюкагон – гормон, который продуцируется α-клетками поджелудочной железы в ответ на снижение уровня сахара в крови. Является антагонистом инсулина. То есть, эффектом действия глюкагоны является повышение уровня глюкозы в крови, в отличие от эффекта действия инсулина. В случае снижения концентрации сахара в крови, действие глюкагона зависит от следующих факторов:

— повышение интенсивности гликогенолиза – процесса распада гликогена в гепатоцитах;

— увеличение глюконеогенеза – процесса внутриклеточного синтеза глюкозы из неуглеводных продуктов.

На рисунке 3 видно, что уровень сахара в крови повышается после приема пищи в результате усвоения организмом углеводов из потребленных продуктов. В результате, повышение концентрации сахара крови вызывает стимуляцию секреции инсулина β-клетками. Попадая в кровь, инсулин вступает в разные процессы, способствующие снижению концентрации глюкозы в крови. Таким образом начинается индукция секреции глюкагона, что помогает снизить уровень глюкозы. Благодаря непрерывной синергии этих противоположных механизмов, в крови поддерживается оптимальный уровень сахара.

При низком уровне сахара в крови, или при стрессе, в организме сильно повышается секреция трех гормонов:

— соматотропин – гормон роста, синтезируется в передней доле гипофиза;

— адреналин (эпинефрин) – гормон-нейромедиатор, вырабатывается мозговым веществом надпочечников;

— кортизол – глюкокортикоидный гормон, синтезируется в коре надпочечников.

Эти три гормона также способствуют повышению уровня сахара в крови.

То есть, предотвратить чрезмерное понижения уровня глюкозы в крови (гипогликемию), способны четыре гормона: глюкагон, соматотропин, адреналин и кортизол – они способствуют увеличению ее концентрации. А чрезмерное повышение уровня глюкозы в крови способен предотвратить только один гормон – инсулин.

Учитывая вышеизложенные факты, становится очевидной значимость поддержания минимальной концентрации сахара в крови с целью обеспечения нормального функционирования центральной нервной системы. Ниже приведена таблица, в которой кратко резюмирована роль основных гормонов, которые принимают непосредственное участие в регуляции углеводного обмена в организме человека.

Гормон

Место синтеза и высвобождения

Возбудитель

Основной эффект (уровень глюкозы в крови)

β-клетки поджелудочной железы

Высокий уровень сахара в крови

α-клетки поджелудочной железы

Низкий уровень сахара в крови

Соматотропин (гормон роста)

Передняя доля гипофиза

Низкий уровень глюкозы в крови и/или стресс

Низкий уровень глюкозы в крови и/или стресс

Источник

Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Закрыть