Углеводы. Гликолиз. Глюконеогенез. Обмен инсулина. Биохимия, обмен, метаболизм, функции.

Углеводы. Переваривание и всасывание. Обмен гликогена

Углеводы – это многоатомные спирты содержащие оксогруппу.
По количеству мономеров все углеводы делят на: моно-, ди-, олиго- и полисахариды.
Моносахариды по положению оксогруппы делятся альдозы и кетозы.
По количеству атомов углерода моносахариды делятся на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и т.д.

Углеводы. Функции углеводов
Моносахариды – углеводы, которые не гидролизуются до более простых углеводов.

Моносахариды:

• выполняют энергетическую функцию (образование АТФ).
• выполняют пластическую функцию (участвуют в образовании ди-, олиго-, полисахаридов, аминокислот, липидов, нуклеотидов).
• выполняют детоксикационную функцию (произ­водные глюкозы, глюкурониды, участвуют в обезвреживании токсичных метаболитов и ксенобиотиков).
  являются фрагментами гликолипидов (цереброзиды).

Дисахариды – углеводы, которые гидролизуются на 2 моносахарида. У человека образуется только 1 дисахарид – лактоза. Лактоза синтезируется при лактации в молочных железах и содержится в молоке. Она:

• является источником глюкозы и галактозы для новорожденных;
• участвует в формировании нормальной микрофлоры у новорожденных.

Олигосахариды – углеводы, которые гидролизуются на 3 – 10 моносахаридов.
Олигосахариды являются фрагментами гликопротеинов (ферменты, белки-транспортёры, белки-рецепторы, гормоны), гликолипидов (глобозиды, ганглиозиды). Они образуют на поверхности клетки гликокаликс.

Полисахариды – углеводы, которые гидролизуются на 10 и более моносахаридов. Гомополисахариды выполняют запасающую функцию (гликоген – форма хранения глюкозы). Гетерополисахариды (ГАГ) являются структурным компонентом межклеточного вещества (хондроитинсульфаты, гиалуроновая кислота), участвуют в пролиферации и дифференцировке клеток, препятствуют свертыванию крови (гепарин).
Углеводы пищи, нормы и принципы нормирования их суточной пищевой потребности.

Углеводы. Биологическая роль.
В пище человека в основном содержатся по­лисахариды — крахмал, целлюлоза растений, в меньшем количестве – гликоген животных. Источником сахарозы служат растения, особенно сахарная свёкла, сахарный тростник. Лактоза поступает с молоком млекопитающих (в коровьем мо­локе до 5% лактозы, в женском мо­локе — до 8%). Фрукты, мёд, соки содер­жат небольшое количество глюкозы и фруктозы. Мальтоза есть в солоде, пиве.
Углеводы пищи являются для организма человека в основном источником моносахаридов, преимущественно глюкозы. Некоторые полисахариды: целлюлоза, пектиновые вещества, декстраны, у человека практически не перевариваются, в ЖКТ они выполняют функцию сорбента (выводят холестерин, желчные кислоты, токсины и д.р.), необходимы для стимуляции перистальтики кишечника и формирования нормальной микрофлоры.
Углево­ды — обязательный компонент пищи, они составляют 75% массы пищевого рациона и дают более 50% необходимых калорий. У взрослого человека суточная потребность в углеводах 400г/сут, в целлюлозе и пектине до 10-15 г/сут. Рекомендуется употреблять в пищу больше сложных полисахаридов и меньше моносахаров.

Углеводы. Переваривание углеводов
Переваривание это процесс гидролиза веществ до их ассимилируемых форм. Переваривание бывает:

• 1). Внутриклеточное (в лизосомах);
• 2). Внеклеточное (в ЖКТ):
  а). полостное (дистантное);
  б). пристеночное (контактное).

Переваривание углеводов в ротовой полости (полостное)
В ротовой полости пища измельчается при пе­режёвывании и смачивается слюной. Слюна состоит на 99% из воды и обычно имеет рН 6,8. В слюне присутствует эндогликозидаза α-амилаза (α-1,4-гликозидаза), расщеп­ляющая в крахмале внутренние α-1,4-гликозидные связи с об­разованием крупных фрагментов — декстринов и небольшого количества мальтозы и изомальтозы. Необходим ион Cl-.

Переваривание углеводов в желудке (полостное)
Действие амилазы слюны прекращается в кислой среде (рН <4) содержимого желудка, однако, внутри пищевого комка ак­тивность амилазы может некоторое время сохраняться. Желудочный сок не содержит фермен­тов, расщепляющих углеводы, в нем возможен лишь незначительный кислотный гидролиз гликозидных связей. Переваривание углеводов в тонком кишечнике (полостное и пристеночное) В двенадцатиперстной кишке кислое содержимое желу­дка нейтрализуется соком поджелудочной железы (рН 7,5—8,0 за счет бикарбонатов). С соком поджелудочной железы в кишечник поступает панкреатическая α-амилаза.

Эта эндогликозидаза гидролизует внутренние α-1,4-гликозидные связи в крахмале и декстринах с образованием мальтозы (2 ос­татка глюкозы, связанные α-1,4-гликозидной связью), изомальтозы (2 ос­татка глюкозы, связанные α-1,6-гликозидной связью) и олигосахаридов, содержащих 3—8 остатков глюкозы, свя­занных α-1,4- и α-1,6-гликозидными связями. Переваривание мальтозы, изомальтозы и олигосахаридов происходит под дей­ствием специфических ферментов – экзогликозидаз, образующих ферментативные комплексы. Эти комплексы находятся на поверхности эпителиаль­ных клеток тонкого ки­шечника и осуществляют пристеночное пищеварение.

Сахаразо-изомальтазный комплекс состоит из 2 пептидов, имеет доменное строение. Из первого пептида образован цитоплазматический, трансмембранный (фиксирует комплекс на мембране энтероцитов) и связывающий домены и изомальтазная субъединица. Из второго – сахаразная субъединица. Сахаразная субъединица гидролизует α-1,2-гликозидные связи в сахарозе, изомальтазная субъединица – α-1,6-гликозидные связи в изомальтозе, α-1,4-гликозидные связи в мальтозе и мальтотриозе. Комплекса много в тощей кишке, меньше в проксимальной и дистальной частях кишечника.

Гликоамилазный комплекс, содержит две каталитические субъединицы, имеющие небольшие различия в субстратной специфич­ности. Гидролизует α-1,4-гликозидные связи в олигосахаридах (с восстанавливающего конца) и в мальтозе. Наибольшая активность в нижних отделах тонкого кишеч­ника.

β-Гликозидазный комплекс (лактаза) гликопротеин, гидролизует β-1,4-гликозидные связи в лактозе. Активность лактазы зависит от возраста. У плода она особенно повышена в поздние сроки беременности и сохраняется на высоком уровне до 5-7-летнего возраста. Затем активность лактазы снижается, составляя у взрослых 10% от уровня активности, характерного для детей.

Трегалаза гликозидазный комплекс, гидролизует α-1,1-гликозидные связи между глюкозами в трегалозе — дисахариде грибов. Переваривание углеводов заканчивается образованием моносахаридов – в основном глюкозы, меньше образуется фруктозы и галактозы, еще меньше – маннозы, ксилозы и арабинозы.

Углеводы. Всасывание углеводов

Моносахариды всасываются эпителиальными клетками тощей и подвздошной кишок. Транспорт моносахаридов в клетки слизистой оболочки кишечника может осуществляться путём диффузии (рибоза, ксилоза, арабиноза), облегчённой диффузии с помощью белков переносчиков (фруктоза, галактоза, глюкоза), и путем вторично-активного транспорта (галактоза, глюкоза). Вторично-активный транспорт галактозы и глюкозы из просвета кишечника в энтероцит осуществляется симпортом с Na+. Через белок-переносчик Na+ двигается по градиенту своей концентрации и переносит с собой углеводы против их градиента концентраций. Градиент концентрации Na+ создаётся Nа+/К+-АТФ-азой.

При низкой концентрации глюкозы в просвете кишечника она транспортируется в энтероцит только активным транспортом, при высокой концентрации – активным транспортом и облегчённой диффузией. Скорость всасывания: галактоза > глюкоза > фруктоза > другие моносахариды.

Моносахариды выходят из энтероцитов в направлении кровеносного капилляра с помощью облегченной диффузии через белки-переносчики.

Углеводы. Нарушение переваривания и всасывания углеводов

Недостаточное переваривание и всасывание переваренных продуктов называют мальабсорбцией. В основе мальабсорбции углеводов могут быть причины двух типов:

• 1). Наследственные и приобретенные дефекты ферментов, участвующих в переваривании. Известны наследственные дефекты лактазы, α-амилазы, сахаразно-изомальтазного комплекса. Без лечения эти па­тологии сопровождаются хроническим дисбактериозом и нарушениями физического разви­тия ребёнка.
  Приобретённые нарушения переваривания могут наблю­даться при кишечных заболеваниях, например гастритах, колитах, энтеритах, после операций на ЖКТ.
  Дефицит лактазы у взрослых людей может быть связан со снижением экспрессии гена лактазы, что проявляться непе­реносимостью молока – наблюдается рвота, диарея, спазмы и боли в животе, метеоризм. Частота этой па­тологии составляет в Европе 7—12%, в Китае — 80%, в Африке — до 97%.
• 2). Нарушение всасывания моносахаридов в кишечнике.
  Нарушения всасывания могут быть следствием дефекта какого-либо компонента, участвующего в системе транспорта моносахаридов через мембрану. Описаны патологии, связанные с дефектом натрийзависимого белка переносчика глюкозы.
  Синдром мальабсорбции сопровождается осмотической диареей, усилением перистальтики, спазмами, болями, а также метеоризмом. Диарею вызывают нерасщеплённые дисахариды или невсосавшиеся моносахариды в дистальных отделах кишечника, а также органические кислоты, образованные микроорганизмами при неполном расщеплении углеводов.

Транспорт глюкозы из крови в клетки
Глюкоза поступает из кровотока в клетки путём облегчённой диффузии с помощью белков-переносчиков – ГЛЮТов. Глюкозные транспортёры ГЛЮТы имеют доменную организацию и обнаружены во всех тканях.

Выделяют 5 типов ГЛЮТов:

•  ГЛЮТ-1 – преимущественно в мозге, плаценте, почках, толстом кишечнике;
• ГЛЮТ-2 – преимущественно в печени, почках, β-клетках поджелудочной железы, энтероцитах, есть в эритроцитах. Имеет высокую Км;
•  ГЛЮТ-3 – во многих тканях, включая мозг, плаценту, почки. Обладает большим, чем ГЛЮТ-1, сродством к глюкозе;
•  ГЛЮТ-4 – инсулинзависимый, в мышцах (скелетной, сердечной), жировой ткани;
• ГЛЮТ-5 – много в клетках тонкого кишечника, является переносчиком фруктозы.

ГЛЮТы, в зависимости от типа, могут находиться преимущественно как в плазматической мембране, так и в цитозольных везикулах. Трансмембранный перенос глюкозы происходит только тогда, когда ГЛЮТы находятся в плазматической мембране. Встраивание ГЛЮТов в мембрану из цитозольных везикул происходит под действием инсулина. При снижении концентрации инсулина в крови эти ГЛЮТы снова перемещаются в цитоплазму. Ткани, в которых ГЛЮТы без инсулина почти полностью находятся в цитоплазме клеток (ГЛЮТ-4, и в меньшей мере ГЛЮТ-1), оказываются инсулинзависимыми (мышцы, жировая ткань), а ткани, в которых ГЛЮТы преимущественно находятся в плазматической мембране (ГЛЮТ-3) – инсулиннезависимыми.
Известны различные нарушения в работе ГЛЮТов. Наследственный дефект этих белков может лежать в основе инсулинонезависимого сахарного диабета.

Углеводы. Метаболизм моносахаридов в клетке
После всасывания в кишечнике глюкоза и другие моносахариды поступают в воротную вену и далее в печень. Моносахариды в печени превращаются в глюкозу или продукты её метаболизма. Часть глюкозы в печени депонируется в виде гликогена, часть идет на синтез новых веществ, а часть через кровоток, направляется в другие органы и ткани. При этом печень поддерживает концентрацию глюкозы в крови на уровне 3,3-5,5 ммоль/л.

Фосфорилирование и дефосфорилирование моносахаридов
В клетках глюкоза и другие моносахариды с использованием АТФ фосфорилируются до фосфорных эфиров: глюкоза + АТФ → глюкоза-6ф + АДФ. Для гексоз эту необратимую реакцию катализирует фермент гексокиназа, которая имеет изоформы: в мышцах – гексокиназа II, в печени, почках и β-клетках поджелудочной железы – гексокиназа IV (глюкокиназа), в клетках опухолевых тканей – гексокиназа III. Фосфорилирование моносахаридов приводит к образованию реакционно-способных соединений (реакция активации), которые не способны покинуть клетку т.к. нет соответствующих белков-переносчиков. Фосфорилирование уменьшает количество свободной глюкозы в цитоплазме, что облегчает ее диффузию из крови в клетки.

Гексокиназа II фосфорилирует D-глюкозу, и с меньшей скоростью, другие гексозы. Обладая высоким сродством к глюкозе (Кm <0,1 ммоль/л), гексокиназа II обеспечивает поступление глюкозы в ткани даже при низкой концентрации глюкозы в крови. Так как гексокиназа II ингибируется глюкозо-6-ф (и АТФ/АДФ), глюкоза поступает в клетку только по мере необходимости.

Глюкокиназа (гексокиназа IV) имеет низкое сродство к глюкозе (Кm – 10 ммоль/л), активна в печени (и почках) при повышении концентрации глюкозы (в период пищеварения). Глюкокиназа не ингибируется глюкозо-6-фосфатом, что дает возможность печени без ограничений удалять излишки глюкозы из крови.

Глюкозо-6-фосфатаза катализирует необратимое отщепление фосфатной группы гидролитическим путём в ЭПР: Глюкозо-6-ф + Н2О → Глюкоза + Н3РО4, есть только в печени, почках и клетках эпителия кишечника. Образовавшаяся глюкоза способна диффундировать из этих органов в кровь. Таким образом, глюкозо-6-фосфатаза печени и почек позволяет повышать низкий уровень глюкозы в крови.

Метаболизм глюкозо-6-фосфата

Глюкозо-6-ф может использоваться клетке в различных превращениях, основными из которых являются: катаболизм с образованием АТФ, синтез гликогена, липидов, пентоз, полисахаридов и аминокислот.

Углеводы. МЕТАБОЛИЗМ ГЛИКОГЕНА

Многие ткани в качестве резервной формы глюкозы синтезируют гликоген. Синтез и распад гликогена в печени поддерживают гомеостаз глюкозы в крови. Гликоген — разветвлённый гомополисахарид глюкозы с массой >107Да (50000 остатков глюкозы), в котором остатки глюкозы соединены в линейных участках α-1,4-гликозидной связью. В точках ветвления, примерно через каждые 10 остатков глюкозы, мономеры соединены α-1,6-гликозидными связями. Гликоген, водонерастворим, хранится в цитозоле клетки в форме гранул диаметром 10-40 нм. Гликоген депонируется главным образом в печени (до 5%) и скелетных мышцах (до 1%). В организме может содержаться от 0 до 450 г гликогена.
Разветвлённая структура гликогена способствует работе ферментов, отщепляющих или присоединяющих мономеры.

Углеводы. Синтез гликогена (гликогеногенез)
Гликоген синтезируется с затратой энергии в период пищеварения (через 1—2 ч после приёма углеводной пищи).

Синтез гликогена осуществляется путём удлинения уже имеющейся молекулы полисахарида, называемой «затравка», или «праймер». В состав праймера может входить белок гликогенин, в котором к Тир присоединен олигосахарид (примерно из 8 остатков глюкозы). Глюкозные остатки переносятся гликогенсинтазой на нередуцирующий конец олигосахарида и связываются α-1,4-гликозидными связями.

При удлинении линейного участка примерно до 11 глюкозных остатков, фермент ветвления переносит её концевой блок, содержащий 6—7 остатков, на внутренний остаток глюкозы этой или другой цепи с образованием α-1,6-гликозидной связи. Новая точка ветвления образуется на расстоянии не менее 4 остатков от любой уже существующей точки ветвления.

Углеводы. Распад гликогена (гликогенолиз)
Распад гликогена происходит путем последовательного отщепления глюкозо-1-ф в ответ на повышение потребности организма в глюкозе. Реакцию катализирует гликогенфосфорилаза:

Гликогенфосфорилаза состоит из 2 идентичных субъединиц (94500 Да). Неактивная форма обозначается b, активная – a. Активируется киназой фосфорилазы b путем фосфорилирования каждой субъединицы по серину в 14 положении.
Гликогенфосфорилаза расщепляет фосфоролизом α-1,4-гликозидные связи, до тех пор, пока до точки ветвления не остается 4 остатка глюкозы.

Инактивация гликогенфосфорилазы происходит при дефосфорилировании с участием специфической фосфатазы фосфорилазы (фосфопротеинфосфотазы ФПФ).
Удаление ветвления осуществляет деветвящий фермент. Он обладает трансферазной и гликозидазной активностями. Трасферазная часть (олигосахаридтрансфераза) переносит три оставшихся до точки ветвления глюкозных остатка на нередуцирующий конец соседней цепи, удлиняя её для фосфорилазы.

Гликозидазная часть (α-1,6-глюкозидаза) гидролизует α-1,6-гликозидную связь, отщепляя глюкозу.
Глюкозо-1-ф изомеризуется в глюкозо-6-ф фосфоглюкомутазой.

 

Регуляция метаболизма гликогена в печени

 

 

Регуляция метаболизма гликогена в мышцах

Метаболизм гликогена контролируется гормонами (в печени – инсулином, глюкагоном, адреналином; в мышцах – инсулином и адреналином), которые регулируют фосфорилирование /дефосфорилирование 2 ключевых ферментов гликогенсинтазы и гликогенфосфорилазы.
При недостаточном уровне глюкозы в крови выделяется гормон глюкагон, в крайних случаях – адреналин. Они стимулируют фосфорилирование гликогенсинтазы (она инактивируется) и гликогенфосфорилазы (она активируется). При повышении уровня глюкозы в крови выделяется инсулин, он стимулирует дефосфорилирование гликогенсинтазы (она активируется) и гликогенфосфорилазы (она инактивируется). Кроме того, инсулин индуцирует синтез глюкокиназы, тем самым, ускоряя фосфорилирование глюкозы в клетке. Всё это приводит к тому, что инсулин стимулирует синтез гликогена, а адреналин и глюкагон – его распад.
В печени существует и аллостерическая регуляция гликогенфосфорилазы: ее ингибирует АТФ и глюкозо-6ф, а активирует АМФ.

Углеводы. Нарушения обмена гликогена
Гликогеновые болезни — группа наследственных нарушений, в основе которых лежит снижение или отсутствие активности ферментов, катализирующих реакции синтеза или распада гликогена, либо нарушение регуляции этих ферментов.

Гликогенозы — заболевания, обусловленные дефектом ферментов, участвующих в распаде гликогена. Они проявляются или необычной структурой гликогена, или его избыточным накоплением в печени, сердечной или скелетных мышцах, почках, лёгких и других органах.
В настоящее время гликогенозы делят на 2 группы: печёночные и мышечные.

Печёночные формы гликогенозов ведут к нарушению использования гликогена для поддержания уровня глюкозы в крови. Поэтому общий симптом для этих форм — гипогликемии в постабсорбтивный период.

Болезнь Гирке (тип I) отмечают наиболее часто. Причина — наследственный дефект глюкозо-6-фосфатазы — фермента, обеспечивающего выход глюкозы в кровоток после её высвобождения из гликогена клеток печени и почек. Клетки печени и извитых канальцев почек заполнены гликогеном, печень и селезенка увеличены, у больных опухлое лицо – «лицо китайской куклы». Болезнь проявляется гипогликемией, гипертриацилглицеролемией, гиперурикемией, ацидоз.

• 1). В гепатоцитах: ↑глюкозо-6-ф → ↑ПВК, ↑лактат (ацидоз), ↑рибозо-5-ф. ↑рибозо-5-ф→ ↑пуринов→ ↑ мочевая кислота
• 2). В крови: ↓глюкоза →↓инсулин/глюкагон→:
  а) ↑липолиз жировой ткани → ↑ЖК в крови.
  б). ↓ЛПЛ жировой ткани → ↑ТАГ в крови.
  Лечение – диета по глюкозе, частое кормление.
  Болезнь Кори (тип III) распространена, 1/4 всех печёночных гликогенозов. Накапливается разветвленный гликоген, так как дефектен деветвящий фермент. Гликогенолиз возможен, но в незначительном объёме. Лактоацидоз и гиперурикемия не отмечаются. Болезнь отличается более лёгким течением чем болезнь Гирке.

Мышечные формы гликогенозов характеризуются нарушением в энергоснабжении скелетных мышц. Эти болезни проявляются при физических нагрузках и сопровождаются болями и судорогами в мышцах, слабостью и быстрой утомляемостью.
Болезнь МакАрдла (тип V) — аутосомно-рецессивная патология, отсутствует в скелетных мышцах активность гликогенфосфорилазы. Накопление в мышцах гликогена аномальной структуры.

Агликогенозы
Агликогеноз (гликогеноз 0 по классификации) — заболевание, возникающее в результате дефекта гликогенсинтазы. В печени и других тканях больных наблюдают очень низкое содержание гликогена. Это проявляется резко выраженной гипогликемией в постабсорбтивном периоде. Характерный симптом — судороги, проявляющиеся особенно по утрам. Болезнь совместима с жизнью, но больные дети нуждаются в частом кормлении.

 

Углеводы. Катаболизм глюкозы. Гликолиз

Основные пути катаболизма глюкозы
Катаболизм глюкозы в клетке может проходить как в аэробных, так и в анаэробных условиях, его основная функция – это синтез АТФ.

Аэробное окисление глюкозы
В аэробных условиях глюкоза окисляется до СО2 и Н2О. Суммарное уравнение:
С6Н12О6 + 6О2 → 6СО2+ 6Н2О + 2880 кДж/моль.

Этот процесс включает несколько стадий:

• 1. Аэробный гликолиз. В нем происходит окисления 1 глюкозы до 2 ПВК, с образованием 2 АТФ (сначала 2 АТФ затрачиваются, затем 4 образуются) и 2 НАДН2;
• 2. Превращение 2 ПВК в 2 ацетил-КоА с выделением 2 СО2 и образованием 2 НАДН2;
• 3. ЦТК. В нем происходит окисление 2 ацетил-КоА с выделением 4 СО2, образованием 2 ГТФ (дают 2 АТФ), 6 НАДН2 и 2 ФАДН2;
• 4. Цепь окислительного фосфорилирования. В ней происходит окисления 10 (8) НАДН2, 2 (4) ФАДН2 с участием 6 О2, при этом выделяется 6 Н2О и синтезируется 34 (32) АТФ.

В результате аэробного окисления глюкозы образуется 38 (36) АТФ, из них: 4 АТФ в реакциях субстратного фосфорилирования, 34 (32) АТФ в реакциях окислительного фосфорилирования. КПД аэробного окисления составит 65%.

Анаэробное окисление глюкозы
Катаболизм глюкозы без О2 идет в анаэробном гликолизе и ПФШ (ПФП).

• В ходе анаэробного гликолиза происходит окисления 1 глюкозы до 2 молекул молочной кислоты с образованием 2 АТФ (сначала 2 АТФ затрачиваются, затем 4 образуются). В анаэробных условиях гликолиз является единственным источником энергии. Суммарное уравнение: С6Н12О6 + 2Н3РО4 + 2АДФ → 2С3Н6О3 + 2АТФ + 2Н2О.
• В ходе ПФП из глюкозы образуются пентозы и НАДФН2. В ходе ПФШ из глюкозы образуются только НАДФН2.

Углеводы. ГЛИКОЛИЗ

Гликолиз – главный путь катаболизма глюкозы (а также фруктозы и галактозы). Все его реакции протекают в цитозоле.
Аэробный гликолиз – это процесс окисления глюкозы до ПВК, протекающий в присутствии О2.
Анаэробный гликолиз – это процесс окисления глюкозы до лактата, протекающий в отсутствии О2.
Анаэробный гликолиз отличается от аэробного только наличием последней 11 реакции, первые 10 реакций у них общие.

Этапы гликолиза
В любом гликолизе можно выделить 2 этапа:

• 1 этап подготовительный, в нем затрачивается 2 АТФ. Глюкоза фосфорилируется и расщепляется на 2 фосфотриозы;
• 2 этап, сопряжён с синтезом АТФ. На этом этапе фосфотриозы превращаются в ПВК. Энергия этого этапа используется для синтеза 4 АТФ и восстановления 2НАДН2, которые в аэробных условиях идут на синтез 6 АТФ, а в анаэробных условиях восстанавливают ПВК до лактата.

Энергетический баланс гликолиза
Таким образом, энергетический баланс аэробного гликолиза:
8АТФ = -2АТФ + 4АТФ + 6АТФ (из 2НАДН2)
Энергетический баланс анаэробного гликолиза:
2АТФ = -2АТФ + 4АТФ

Общие реакции аэробного и анаэробного гликолиза
1. Гексокиназа (гексокиназа II, АТФ: гексозо-6-фосфотрансфераза) в мышцах фосфорилирует в основном глюкозу, меньше – фруктозу и галактозу. Кm<0,1 ммоль/л. Ингибитор глюкозо-6-ф, АТФ. Активатор адреналин. Индуктор инсулин.
Глюкокиназа (гексокиназа IV, АТФ: глюкозо-6-фосфотрансфераза) фосфорилирует глюкозу. Кm – 10 ммоль/л, активна в печени, почках. Не ингибируется глюкозо-6-ф. Индуктор инсулин. Гексокиназы осуществляют фосфорилирование гексоз.

2. Фосфогексозоизомераза (глюкозо-6ф-фруктозо-6ф-изомераза) осуществляет альдо-кетоизомеризацию открытых форм гексоз.

3. Фосфофруктокиназа 1 (АТФ: фруктозо-6ф-1-фосфотрансфераза) осуществляет фосфорилирование фруктозы-6ф. Реакция необратима и самая медленная из всех реакций гликолиза, определяет скорость всего гли­колиза.
Активируется: АМФ, фруктозо-2,6-дф (мощный активатор, образуется с участием фосфофруктокиназы 2 из фруктозы-6ф), фруктозо-6-ф, Фн.
Ингибируется: глюкагоном, АТФ, НАДН2, цитратом, жирными кислотами, кетоновыми телами.
Индуктор реакции инсулин.

4. Альдолаза А (фруктозо-1,6-ф: ДАФ-лиаза). Альдолазы действуют на открытые формы гексоз, имеют 4 субъединицы, образуют несколько изоформ. В большинстве тканей содержится Альдолаза А. В печени и почках – Альдолаза В.

5. Фосфотриозоизомераза (ДАФ-ФГА-изомераза).

6. 3-ФГА дегидрогеназа (3-ФГА: НАД+ оксидоредуктаза (фосфорилирующая)) состоит из 4 субъединиц. Катализирует образование макроэргической связи в 1,3-ФГК и восстановление НАДН2, которые используются в аэробных условиях для синтеза 8 (6) молекул АТФ.

7. Фосфоглицераткиназа (АТФ: 3ФГК-1-фосфотрансфераза). Осуществляет субстратное фосфорилирование АДФ с образованием АТФ.

В следующих реакциях низкоэнергетический фосфоэфир переходит в высокоэнергетический фосфат.
8. Фосфоглицератмутаза (3-ФГК-2-ФГК-изомераза) осуществляет перенос фосфатного остатка в ФГК из по­ложения 3 положение 2.

9. Енолаза (2-ФГК: гидро-лиаза) от­щепляет от 2-ФГК молекулу воды и образует высокоэнергетическую связь у фосфора. Ингибируется ионами F-.

10. Пируваткиназа (АТФ: ПВК-2-фосфотрансфераза) осуществляет субстратное фосфорилирование АДФ с образованием АТФ.
Активируется фруктозо-1,6-дф, глюкозой.
Ингибируется АТФ, НАДН2, глюкагоном, адреналином, аланином, жирными кислотами, Ацетил-КоА.
Индуктор: инсулин, фруктоза.

Образующаяся енольная форма ПВК затем неферментативно переходит в бо­лее термодинамически стабильную кетоформу. Данная реакция является последней для аэробного гликолиза.
Дальнейший катаболизм 2 ПВК и использование 2 НАДН2 зависит от наличия О2.

Реакция анаэробного гликолиза
В анаэробных условиях ПВК, подобно О2 в дыхатель­ной цепи, обеспечивает регенерацию НАД+ из НАДН2, что необходимо для продолжения реакций гликолиза. ПВК при этом превращается в молочную кислоту. Реакция протекает в цитоплазме с участием лактатдегидрогеназы (ЛДГ).
11. Лактатдегидрогеназа (лактат: НАД+ оксидоредуктаза). Стоит из 4 субъединиц, имеет 5 изоформ.

Лактат не является конечным продуктом метаболизма, удаляемым из организма. Из анаэробной ткани лактат переноситься кровью в печень, где превращаясь в глюко­зу (Цикл Кори), или в аэробные ткани (миокард), где превращает­ся в ПВК и окисляется до СО2 и Н2О.

Углеводы. Катаболизм ПВК в митохондриях

В аэробных условиях ПВК и водороды с НАДН2 транспортируются в матрикс митохондрий. ПВК самостоятельно не проходит внутреннюю мембрану митохондрий, перенос ее через мембрану осуществляется вторично-активным транспортом симпортом с Н+. ПВК в митохондриях используется в 2 реакциях:
1. Пируватдегидрогеназный комплекс (ПВК: НАД+ оксидорудуктаза (декарбоксилирующая)) содержит 3 фермента и 5 коферментов: а) Пируватдекарбоксилаза содержит (Е1) 120 мономеров и кофермент ТПФ; б) Дигидролипоилтрансацилаза (Е2) содержит 180 мономеров и коферменты липоамид и HSКоА; в) Дигидролипоилдегидрогеназа (Е3) содержит 12 мономеров и коферменты ФАД и НАД. Пируват ДГ комплекс осуществляет окислительное декарбоксилирование ПВК с образованием Ацетил-КоА. Активатор: HSКоА, НАД+, АДФ. Ингибитор: НАДН2, АТФ, Ацетил-КоА, жирные кислоты, кетоновые тела. Индуктор инсулин.

Механизм работы Пируват ДГ комплекса. Процесс проходит 5 стадий:

Далее Ацетил-КоА поступает в ЦТК, где он окисляется до 2 СО2 с образованием 1 ГТФ, восстановлением 3 НАДН2 и 1 ФАДН2.
2. Пируваткарбоксилаза (ПВК: СО2-синтетаза (АТФ → АДФ + Фн)) сложный олигомерный фермент, содержит биотин. Карбоксилирует ПВК до ЩУК. Пополняющая реакция, по мере необходимости добавляет ЩУК в ЦТК. Активатор: Ацетил-КоА.

 

Углеводы. Челночные системы

В аэробных условиях О2 обеспечивает регенерацию НАД+ из НАДН2, что необходимо для продолжения реакции гликолиза (НАД+ субстрат 3-ФГА ДГ).
Так как внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для НАДН2, восстановленный в гликолизе НАДН2, передает свои водороды на дыхательную цепь митохондрий с помощью специальных систем, назы­ваемых «челночными».

Известны 2 челночные системы: малат-аспартатная и глицерофосфатная.
1. Малат-аспартатный челнок является универсальным, работает в печени, почках, сердце.

2. Глицерофосфатный челночный механизм. Работает в белых скелетных мышцах, мозге, в жировой ткани, гепатоцитах.

Малат-аспартатный челнок энергетически более эффективе­н, так как передаёт водород в дыхательную цепь через митохондриальный НАД, соотношение Р/О равно 3, синтезируется 3 АТФ.
В глицерофосфатный челнок передаёт водород в дыхательную цепь через ФАД на KoQ, соотношение Р/О равно 2, синтезируется 2 АТФ.

Пластическое значение катаболизма глюкозы
При ка­таболизме глюкоза может выполнять пластические функции. Метаболиты гликолиза ис­пользуются для синтеза новых соединений. Так, фруктозо-6ф и 3-ФГА участвуют в образовании рибозо-5-ф (компонент нуклеотидов); 3-фосфоглицерат может включаться в синтез ами­нокислот, таких как серии, глицин, цистеин. В печени и жировой ткани Ацетил-КоА исполь­зуется при биосинтезе жирных кис­лот, холестерина, а ДАФ для синтеза глицерол-3ф.

Регуляция гликолиза
Эффект Пастера – снижение скорости потребления глюкозы и накопления лактата в присутствии кислорода.
Эффекта Пастера объясняется наличием конкуренции между ферментами аэробного (ПВК ДГ, ПВК карбоксилаза, ферменты цепи окислительного фосфорилирования) и анаэробного (ЛДГ) пути окисления за общий метаболит ПВК и кофермент НАДН2.

• Без О2 митохондрии не потребляют ПВК и НАДН2, в результате их концентрация в цитоплазме повышается и они идут на образование лактата. Так как анаэробный гликолиз дает из 1 глюкозы только 2 АТФ, для образования достаточного количества АТФ необходимо много глюкозы (в 19 раз больше чем в аэробных условиях).
• В присутствии О2, митохондрии выкачивают ПВК и НАДН2 из цитоплазмы, прерывая реакцию образования лактата. При аэробном окислении из 1 глюкозы образуется 38 АТФ, соответственно для образования достаточного количества АТФ необходимо мало глюкозы (в 19 раз меньше чем в анаэробных условиях).

 

Углеводы. МЕТАБОЛИЗМ ФРУКТОЗЫ И ГАЛАКТОЗЫ

Фрук­тоза и галактоза наряду с глюкозой используются для получения энергии или синтеза веществ: гликогена, ТГ, ГАГ, лактозы и др.

Углеводы. Метаболизм фруктозы

Значительное количество фруктозы, образу­ющееся при расщеплении сахарозы, превраща­ется в глюкозу уже в клетках кишечника. Часть фруктозы поступает в печень.

Метаболизм фруктозы в клетке начинает­ся с реакции фосфорилирования:
1. Фруктокиназа (АТФ: фруктоза-1-фосфотрансфераза) фосфорилирует только фруктозу, имеет к ней высокое сродство. Содержится в печени, почках, кишечнике. Инсулин не влияет на ее активность.

2. Альдолаза В (фруктозо: ГА-лиаза) есть в печени, расщепляет фруктозо-1ф (фруктозо-1,6ф) до глицеринового альдегида (ГА) и диоксиацетонфосфата (ДАФ).

3. Триозокиназа (АТФ: ГА-3-фосфотрансфераза). Много в печени.

ДАФ и ГА, полученные из фруктозы, вклю­чаются в печени главным образом в глюконеогенез. Часть ДАФ может восстанав­ливаться до глицерол-3-ф и участвовать в синтезе ТГ.

Углеводы. Нарушения метаболизма фруктозы
Причиной нарушения метаболизма фруктозы является дефект 3 ферментов: фруктокиназы, альдолазы В, триозокиназы.

• Доброкачественная эссенциальная фруктозурия связана с недостаточностью фруктокиназы, клинически не проявляется. Фруктоза накапливается в крови и выделяется с мочой, где её можно обнару­жить лабораторными методами. Частота 1:130 000.
• Наследственная непереносимость фруктозы частая патология, воз­никает при генетически дефек­те альдолазы В (аутосомно-рецессивная форма). Она проявляется, когда в рацион добавляют фрукты, соки, сахарозу. После приёма пищи, содержащей фрук­тозу возникает рвота, боли в животе, диарея, гипогли­кемия и даже кома и судороги. У маленьких детей и подростков развиваются хрони­ческие нарушения функций печени и почек. Болезнь сопро­вождается накоплением фруктозо-1-ф, который ингибирует активность фосфоглюкомутазы, поэтому происходит торможение распада гликогена и развивается гипогликемия. Как следствие, ускоряется мо­билизация липидов, окисление жирных кис­лот и синтез кетоновых тел. Повышение кетоновых тел может привести к метаболическому ацидозу.

Результатом торможения гликогенолиза и гликолиза является снижение синтеза АТФ. Кроме того, накопление фосфорилированной фруктозы ведёт к нарушению обмена неорга­нического фосфата и гипофосфатемии. Для пополнения внутриклеточного фосфата ускоряется распад адениловых нуклеотидов. Продукты распада этих нуклеотидов включаются в катаболизм, проходя стадии образования гипоксантина, ксантина и, наконец, мочевой кис­лоты. Повышение количества мочевой кислоты и снижение экскреции уратов в условиях мета­болического ацидоза проявляются в виде гиперурикемии. Следствием гиперурикемии может быть подагра даже в молодом возрасте.

 

Углеводы. Метаболизм галактозы

Галактоза образуется в кишечнике в результа­те гидролиза лактозы. Превращение галакто­зы в глюкозу происходит в печени в реакции эпимеризации в виде УДФ-производного.
Галактокиназа (АТФ: галактозо-1-фосфотрансфераза) фосфорилирует галактозу.

Галактозо-1ф-уридилтрансфераза замещает галактозой остаток глюкозы в УДФ-глюкозе с образованием УДФ-галактозы.

Эпимераза (УДФ-галактозо-УДФ-глюкозо-изомераза) — НАД-зависимый фермент, катализирует эпимеризацию ОН группы по С4 углеродному атому, обеспечивая взаимопревращения галактозы и глюкозы в составе УДФ.
Образованная глюкозо-1-ф может включаться в:

• 1) синтез гликогена;
• 2) превращение в свободную глюкозу;
• 3) катаболизм, сопряжённый с синтезом АТФ, и т.д.

Нарушения метаболизма галактозы
Галактоземия обусловленна наследствен­ным дефектом любого из трёх ферментов, включающих галактозу в метаболизм глюкозы.

Галактоземия, вызванная недостаточностью галактозо-1-фосфатуридилтрансферазы (ГАЛТ) имеет несколько форм, про­является рано, и особенно опасна для детей, так как материнское молоко, содержит лактозу. Ранние симптомы дефекта ГАЛТ: рвота, диарея, дегидратация, уменьше­ние массы тела, желтуха. В крови, моче и тканях повышается концентрация галактозы и галак­тозо-1-ф. В тканях глаза (в хрусталике) галактоза восстанавливается альдоредуктазой (НАДФ) с образованием галактитола (дульцита). Галактитол накапливается в стекловид­ном теле и связывает большое количество воды, чрезмерная гидратация хрусталика приводит к развитию катаракты, которая на­блюдается уже через несколько дней после рож­дения. Галактозо-1-ф ингибирует активность ферментов углеводного обмена (фосфоглюкомутазы, глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы).

Га­лактозо-1ф оказывает токсическое действи­е на гепатоциты: возникают гепатомегалия, жи­ровая дистрофия. Галактитол и га­лактозо-1-ф вызывают почечную недостаточность. Отмечают нарушения в клетках полушарий го­ловного мозга и мозжечка, в тяжёлых случаях — отёк мозга, задержку умственного развития, воз­можен летальный исход.
Некоторые дефекты в строении ГАЛТ при­водят лишь к частичной потере активности фер­мента. Поскольку в норме ГАЛТ присутствует в организме в избытке, то снижение его актив­ности до 50%, а иногда и ниже может клини­чески не проявляться.
Лечение заключается в удалении галактозы из рациона.

Особенности катаболизма моносахаридов у новорожденных и детей
У детей активен УДФ-глюкоза ↔ УДФ-галактоза путь. У взрослых этот путь неактивен. У новорожденных низкая активность ПФШ. При рождении у ребенка происходит переключение катаболизма глюкозы с анаэробного на аэробный путь. Вначале преобладает использование липидов.

 

Пентозофосфатный шунт и глюконеогенез, регуляция углеводного обмена.

Углеводы. Глюконеогенез (ГНГ)
Глюконеогенез – синтез глюкозы из веществ неуглеводной природы. Его основной функцией является поддержание уровня глюкозы в крови в период длительного голодания и интенсивных физических нагрузок. Основными субстратами глюконеогенеза являются лактат, глицерол, аминокислоты. Глюконеогенез является обратным процессом гликолиза, который протекает в цитоплазме и матриксе митохондрий. Необратимые реакции гликолиза (1, 3 и 10), катализируемые гексокиназами, фруктокиназами и пируваткиназами обходятся с участием 4 специфических ферментов глюконеогенеза: пируваткарбоксилазы, фосфоенолпируват-карбоксикиназы, фруктозо-1,6-фосфотазы и глюкозо-6-фосфотазы. Кроме того, в глюконеогенезе участвуют ферменты ЦТК, например, малат ДГ.

Ключевые (необратимые) реакции глюконеогенеза:

• 1. Пируваткарбоксилаза (ПВК: СО2-синтетаза (АТФ→АДФ+Фн)) содержит биотин, находиться в митохондриях, превращает ПВК в ЩУК. Индуктор: глюкагон, адреналин, кортизол. Репрессор: инсулин. Ингибитор: АМФ, активатор АцетилКоА. Образующийся ЩУК проходит внутреннюю мембрану митохондрий в своей восстановленной (в виде малата) или аминоформе (в виде аспартата).
• 2. Фосфоенолпируваткарбоксикиназа (ГТФ: ЩУК-2-фосфотрансфераза (декарбоксили-рующая)) находиться в цитоплазме, превращает ЩУК в ФЕП. Индуктор: глюкагон, адреналин, кортизол. Репрессор: инсулин.
• 3. Фруктозо-1,6-фосфотаза (Фруктозо-1,6дф: фосфо-гидролаза) дефосфорилирует фруктозо-1,6дф. Индуктор: глюкагон, адреналин, кортизол. Репрессор: инсулин. Ингибирует АМФ, фруктозо-2,6дф. Активатор: цитрат, жирные кислоты.
• 4. Глюкозо-6-фосфотаза (Глюкозо-6ф: фосфо-гидролаза) дефосфорилирует глюкозо-6ф. Индуктор: глюкагон, адреналин, кортизол. Репрессор: инсулин.
  Энергетический баланс глюконеогенеза. На образование 1 глюкозы из 2 лактатов требуется
• 6 АТФ: 2 АТФ для пируваткарбоксилазы, 2 ГТФ для ФЕПкарбоксикиназы, 2 АТФ для фосфоглицераткиназы. Обще уравнение глюконеогенеза:
  2 лактат + 4 АТФ + 2 ГТФ + 4 Н2О → 1 глюкоза + 4 АДФ + 2 ГДФ + 6 Фн

Регуляция глюконеогенеза.

Регуляция глюконеогенеза осуществляется реципрокно с реакциями гликолиза: активация глюконеогенеза, сопровождается ингибированием гликолиза и наоборот. Регуляция обмена глюкозы происходит с участием гормонов и метаболитов, которые изменяют активность и количество регуляторных ферментов гликолиза и глюконеогенеза. Инсулин индуцирует синтез ключевых ферментов гликолиза и репрессирует синтез ключевых ферментов глюконеогенеза. Глюкагон, кортизол и адреналин индуцирует синтез ключевых ферментов глюконеогенеза. Ключевые ферменты гликолиза активируют – АМФ, фруктозо-2,6дф, фруктозо-1,6дф, ингибируют – АТФ, НАДН2, цитрат, жирные кислоты, аланин, АцетилКоА, глюкагон, адреналин. Ключевые ферменты глюконеогенеза активируют – АцетилКоА, глюкагон, ингибируют – АМФ, фруктозо-2,6дф.

 

Тканевые особенности глюконеогенеза.

В большинстве тканей глюконеогенеза нет.
Наибольшая активность глюконеогенеза отмечается в печени, меньше в почках и слизистой оболочке кишечника, в них может синтезироваться до 80-100г глюкозы в сутки. В этих органах глюконеогенез идет до конца с образованием свободной глюкозы, которая может выходить из клеток, поддерживая гомеостаз глюкозы в крови. В норме гомеостаз глюкозы в крови обеспечивается глюконеогенезом печени до 80%, почек до 20%.
Небольшая активность глюконеогенеза наблюдается в мышечных тканях, однако из-за отсутствия у них последних ферментов глюконеогенеза, вместо свободной глюкозы образуются только ее производные, которые не способны покинуть клетку. Таким образом, углеводы синтезируются в мышечных тканях только для собственных нужд. Например, в скелетных мышцах и жировой ткани нет глюкозо-6-фосфотазы, продукт глюконеогенеза – глюкозо-6ф. В миокарде и гладких мышцах нет фруктозо-1,6-дифосфотазы, продукт глюконеогенеза – фруктозо-1,6-дф.

Биологическое значение глюконеогенеза.

Необходимость поддержание постоянного уровня глюкозы в крови связана с тем что, для многих тканей глюкоза является основным (нервная ткань), а для некоторых единственным (эритроциты) источником энергии. Потребность в синтезе глюкозы объясняется тем что, гликогенолиз печени может самостоятельно обеспечивать гомеостаз глюкозы в крови только в течение 8-12 часов, далее запас гликогена в течение суток почти полностью истощается. В условиях длительного голодания (больше суток) глюконеогенез является единственным источником глюкозы в организме.

Углеводы. Пентозофосфатный шунт (ПФШ)

Пентозофосфатный шунт (путь, цикл) является альтернативным путем окисления глюкозы. Наиболее активен этот процесс в жировой ткани, печени, коре надпочечников, эритроцитах, фагоцитирующих лейкоцитах, лактирующей молочной железе, семенниках. Протекает он в цитозоле без участия кислорода и состоит из 2 стадий окислительной и неокислительной. В окислительной стадии происходит восстановление НАДФН2, который используется: 1) для регенерации глутатиона в антиоксидантной системе; 2) для синтеза жирных кислот; 3) в оксигеназных реакциях с участием цитохрома Р450 при обезвреживании ксенобиотиков, метаболитов, синтезе холестерина, стероидных гормонов и т.д. В неокислительной стадии образуются различные пентозы. Рибозо-5ф может использоваться для синтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов.

Тканевые особенности функционирования пентозофосфатного шунта (пути, цикла).

В зависимости от потребности ткани, пентозофосфатный процесс может протекать в виде метаболического цикла, пути или шунта начальных реакций гликолиза:

• 1. При ПФЦ или ПФШ в качестве продукта образуется только НАДФН2. Пентозы в этом случае не являются конечным продуктом, они превращаются в фосфогексозы, которые замыкают цикл, или уходят в гликолиз, завершая шунт. В жировой ткани, эритроцитах.
• 2. Продуктом ПФП являются НАДФН2 и пентозы. В печени, костном мозге.
• 3. В тканях, которые не испытывают потребность в НАДФН2, функционирует только неокислительная стадия ПФП, причем ее реакции идут в обратную сторону начиная с фруктозы-6ф до фосфопентоз. В мышцах.

Реакции окислительной стадии

Окислительная стадия пентозофосфатного шунта (пути, цикла) состоит из 3 необратимых реакций:
1). Глюкозо-6ф дегидрогеназа (глюкозо-6ф: НАДФ+ оксидоредуктаза). Ингибитор НАДФН2. Индуктор инсулин.

2). Глюконолактонгидратаза (6-фосфоглюконат: гидро-лиаза).

3). 6-фосфоглюконат дегидрогеназа (6-фосфоглюконат: НАДФ+ оксидоредуктаза (декарбоксилирующая)). Индуктор инсулин.

 

Схема пентозофосфатного шунта (пути, цикла)

На схеме неокислительная стадия начинается с эпимераз и изомераз, которые изомеризуют рибулозо-5ф. Все реакции неокислительной стадии обратимы.

Общее уравнение ПФЦ:
6 глюкозо-6ф + 12 НАДФ+ → 6 СО2 + 12 НАДФН2 + 5 глюкозо-6ф
Общее уравнение ПФШ:
3 глюкозо-6ф + 6 НАДФ+ → 3 СО2 + 6 НАДФН2 + 2 фруктозо-6ф + ФГА
Общие уравнения ПФП:
1) глюкозо-6ф + 2 НАДФ+ → СО2 + 2 НАДФН2 + рибозо-5ф
2) 2 фруктозо-6ф + ФГА → 3 рибозо-5ф

 

Патология пентозофосфатного шунта

НАДФН2 является важным компонентом антиоксидантной защиты, он необходим для регенерации глутатиона, который с участием глутатионпероксидазы разрушает активные формы кислорода. Так как в эритроцитах НАДФН2 образуется только в реакциях ПФШ, дефект глюкозо-6ф ДГ вызывает дефицит НАДФН2 и снижение антиоксидантной защиты. В этом случае под действием прооксидантов, например, антималярийных препаратов происходит существенное повышение СРО. Активация СРО вызывает окисление цистеина в белковой части гемоглобина, в результате чего протомеры гемоглобина, соединяясь дисульфидными мостиками, образуют тельца Хайнца. Т.к. тельца Хайнца снижают пластичность клеточной мембраны эритроцитов, она при деформации в капиллярах разрушается. Массированный гемолиз эритроцитов ведет к развитию гемолитической анемии.

Витамин B1 (тиамин).
Структура витамина включает пиримидиновое и тиазоловое кольца, соединённые метановым мостиком.

Источники. Витамин В1 — первый витамин, выделенный в кристаллическом виде К. Фун-ком в 1912 г. Он широко распространён в продуктах растительного происхождения (оболочка семян хлебных злаков и риса, горох, фасоль, соя и др.). В организмах животных витамин В1, содержится преимущественно в виде дифосфорного эфира тиамина (ТДФ); он образуется в печени, почках, мозге, сердечной мышце путём фосфорилирования тиамина при участии тиаминкиназы и АТФ.

Суточная потребность взрослого человека в среднем составляет 2-3 мг витамина В1. Но потребность в нём в очень большой степени зависит от состава и общей калорийности пищи, интенсивности обмена веществ и интенсивности работы. Преобладание углеводов в пище повышает потребность организма в витамине; жиры, наоборот, резко уменьшают эту потребность.

Биологическая роль витамина В1, определяется тем, что в виде ТДФ он входит в состав как минимум трёх ферментов и ферментных комплексов: в составе пируват- и α-кетоглутаратдегидрогеназных комплексов он участвует в окислительном декарбокси-лировании пирувата и α-кетоглутарата; в составе транскетолазы ТДФ участвует в пентозофосфатном пути превращения углеводов.
Основной, наиболее характерный и специфический признак недостаточности витамина В1 — полиневрит, в основе которого лежат дегенеративные изменения нервов. Вначале развивается болезненность вдоль нервных стволов, затем — потеря кожной чувствительности и наступает паралич (бери-бери). Второй важнейший признак заболевания — нарушение сердечной деятельности, что выражается в нарушении сердечного ритма, увеличении размеров сердца и в появлении болей в области сердца. К характерным признакам заболевания, связанного с недостаточностью витамина В1, относят также нарушения секреторной и моторной функций ЖКТ; наблюдают снижение кислотности желудочного сока, потерю аппетита, атонию кишечника.

Углеводы. Регуляция обмена углеводов

Энергетический гомеостаз обеспечивает энергетические потребности тканей с использованием различных субстратов. Т.к. углеводы являются основным источником энергии для многих тканей и единственным для анаэробных, регуляция углеводного обмена является важной составляющей энергетического гомеостаза организма.

Регуляция углеводного обмена осуществляется на 3 уровнях:
1. центральный.
2. межорганный.
3. клеточный (метаболический).

1. Центральный уровень регуляции углеводного обмена
Центральный уровень регуляции осуществляется с участием нейроэндокринной системы и регулирует гомеостаз глюкозы в крови и интенсивность метаболизма углеводов в тканях. К основным гормонам, поддерживающим нормальный уровень глюкозы в крови 3,3-5,5 мМоль/л, относят инсулин и глюкагон. На уровень глюкозы влияют также гормоны адаптации – адреналин, глюкокортикоиды и другие гормоны: тиреоидные, СДГ, АКТГ и т.д.

2. Межорганный уровень регуляции углеводного обмена

Глюкозо-лактатный цикл не требует наличие кислорода, функционирует всегда, обеспечивает: 1) утилизацию лактата, образующегося в анаэробных условиях (скелетные мышцы, эритроциты), что предотвращает лактоацидоз; 2) синтез глюкозы (печень).
Глюкозо-аланиновый цикл функционирует в мышцах при голодании. При дефиците глюкозы, АТФ синтезируется за счет распад белков и катаболизма аминокислот в аэробных условиях, при этом глюкозо-аланиновый цикл обеспечивает: 1) удаление азота из мышц в нетоксичной форме; 2) синтез глюкозы (печень).

3. Клеточный (метаболический) уровень регуляции углеводного обмена
Метаболический уровень регуляции углеводного обмена осуществляется с участием метаболитов и поддерживает гомеостаз углеводов внутри клетки. Избыток субстратов стимулирует их использование, а продукты ингибируют свое образование. Например, избыток глюкозы стимулирует гликогенез, липогенез и синтез аминокислот, дефицит глюкозы – глюконеогенез. Дефицит АТФ стимулирует катаболизм глюкозы, а избыток – наоборот ингибирует.

 

Структура и обмен инсулина, его рецепторов, транспорт глюкозы.
Механизм действия и метаболические эффекты инсулина.

Гормоны поджелудочной железы
Поджелудочная железа выполняет в орга­низме две важнейшие функции: экзокринную и эндокринную. Экзокринную функцию выполняет ацинарная часть поджелудочной железы, она синтезирует и секретирует панкреатический сок. Эндокринную функцию выполняют клетки островкового аппарата поджелудочной железы, которые секретируют пептидные гормоны, уча­ствующие в регуляции многих процессов в организме. 1-2 млн. островков Лангерганса составляют 1-2% массы поджелудочной железы.

В островковой части поджелудочной железы выделяют 4 типа клеток, секретирующих разные гормоны: А- (или α-) клетки (25%) секретируют глюкагон, В- (или β-) клетки (70%) — инсулин, D- (или δ-) клетки (<5%) — соматостатин, F-клетки (следовые количества) секретируют панкреатический полипептид. Глюкагон и инсулин в основном влияют на углеводный обмен, соматостатин локально регулирует секрецию инсулина и глюкагона, панкреатический полипептид влияет на секрецию пищеварительных соков. Гормоны поджелудочной железы выделяются в панкреатическую вену, которая впадает в воротную. Это имеет большое значение т.к. печень является главной мишенью глюкагона и инсулина.

Строение инсулина

Инсулин — полипептид, состоящий из двух цепей. Цепь А содержит 21 ами­нокислотный остаток, цепь В — 30 аминокислотных остатков. В инсулине 3 дисульфидных мостика, 2 соединяют цепь А и В, 1 соединяет 6 и 11 остатки в А цепи.

Инсулин может существовать в форме: мономера, димера и гексамера. Гексамерная структура инсулина стабилизиру­ется ионами цинка, который связывается остатками Гис в положении 10 В-цепи всех 6 субъединиц. Инсулины некоторых животных имеют значительное сходство по первичной структуре с инсулином человека. Бычий инсулин отличается от инсулина че­ловека на 3 аминокислоты, а инсулин свиньи отличается только на 1 ами­нокислоту (ала вместо тре на С конце В-цепи). Во многих положениях А и В цепи встре­чаются замены, не оказывающие влияния на биологическую активность гормона. В положениях дисульфидных связей, остатков гидрофобных аминокислот в С-концевых участках В-цепи и С- и N-концевых остатков А-цепи замены встречаются очень редко, т.к. эти участки обеспечивают формирование активного центра инсулина.

Биосинтез инсулина включает образование двух неактивных предшественников, препроинсулина и проинсулина, которые в результате последова­тельного протеолиза превращаются в активный гормон.

• 1. На рибосомах ЭПР синтезируется препроинсулин (L-В-С-А, 110 аминокислот), биосинтез его начинается с образования гидрофобного сигнального пептида L (24 аминокислот), который направляет растущую цепь в просвет ЭПР.
• 2. В просвет ЭПР препроинсулин превращается в проинсулин при отщеплении эндопептидазой I сиг­нального пептида. Цистеины в проинсулине окисляются с образованием 3 дисульфидных мостиков, проинсулин становиться «сложным», имеет 5% активности от инсулина.
• 3. «Сложный» проинсулин (В-С-А, 86 аминокислот) поступает в аппарат Гольджи, где под действи­ем эндопептидазы II расщепляется с образованием инсулина (В-А, 51 аминокислот) и С-пептида (31 аминокислота).
• 4. Инсулин и С-пептид включаются в секреторные гранулы, где инсулин соединяется с цинком, обра­зуя димеры и гексамеры. В секреторной грануле содержание инсулина и С-пептида составляет 94%, проинсулина, интермедиатов и цинка – 6%.
• 5. Зрелые гранулы сли­ваются с плазматической мембраной, а инсу­лин и С-пептид попадают во внеклеточную жидкость и далее в кровь. В крови олигомеры инсулина распадают­ся. За сутки в кровь секретируется 40-50 ед. инсулина, это составляет 20% от его общего запаса в поджелудочной железе. Секреция инсулина энергозависимый процесс, происходит с участием микротубулярно-ворсинчатой системы.

Схема биосинтеза инсулина в β-клетках островков Лангерганса

ЭПР — эндоплазматический ретикулум.
1 — образование сигнального пептида; 2 — синтез препроинсулина; 3 — отщепление сигнального пептида; 4 — транспорт проинсу­лина в аппарат Гольджи; 5 — превращение проинсулина в инсулин и С-пептид и включение инсулина и С-пептида в секреторные гранулы; 6 — секреция инсулина и С-пептида. Ген инсулина находиться в 11 хромосоме. Выявлены 3 мутации этого гена, у носителей низкая активность инсулина, отмечается гиперинсулинемия, нет инсулинорезистентности.

Углеводы. Регуляция синтеза и секреции инсулина

Синтез инсулина индуцируют глюкоза и секреция инсулина. Репрессирует секрецию жирные кислоты.

Секрецию инсулина стимулируют:

• 1. глюкоза (главный регулятор), аминокислоты (особенно лей и арг);
• 2. гормоны ЖКТ (β-адренергические агонисты, через цАМФ): ГИП, секретин, холецистокинин, гастрин, энтероглюкагон;
• 3. длительно высокие концентрации СТГ, кортизола, эстрогенов, прогестинов, плацентарного лактогена, ТТГ, АКТГ;
• 4. глюкагон;
• 5. повышение К+ или Са2+ в крови;
• 6. лекарства, производные сульфонилмочевины (глибенкламид).

Под влиянием соматостатина секреция инсулина понижается. β-клетки также находятся под влиянием автономной нервной системы. Парасимпатическая часть (холинергические окончания блуждающего нерва) стимулирует выделение инсулина. Симпатическая часть (адреналин через α2-адренорецепторы) подавляет выделение инсулина.

Секреция инсулина осуществляется с участием нескольких систем, в которых основная роль принадлежит Са2+ и цАМФ.

Поступление Са2+ в цитоплазму контролируется несколькими механизмами:

• 1). При повышении концентрации глюкозы в крови выше 6-9 ммоль/л, она при участии ГЛЮТ-1 и ГЛЮТ-2 поступает в β-клетки и фосфорилируется глюкокиназой. При этом концентрация глюкозо-6ф в клетке прямо пропорциональна концентрации глюкозы в крови. Глюкозо-6ф окисляется с образованием АТФ. АТФ образуется также при окислении аминокислот и жирных кислот. Чем больше в β-клетке глюкозы, аминокислот, жирных кислот тем больше из них образуется АТФ. АТФ ингибирует на мембране АТФ-зависимые калиевые каналы, калий накапливается в цитоплазме и вызывает деполяризацию клеточной мембраны, что стимулирует открытие потенциалзависимых Са2+-каналов и поступление Са2+ в цитоплазму.
• 2). Гормоны, активирующие инозитолтрифосфатную систему (ТТГ), выпускают Са2+ из митохондрий и ЭПР. цАМФ образуется из АТФ с участием АЦ, которая активируется гормонами ЖКТ, ТТГ, АКТГ, глюкагоном и Са2+-кальмодулиновым комплексом.

цАМФ и Са2+ стимулируют полимеризацию субъединиц в микротубулы (микроканальцы). Влияние цАМФ на микроканальцевую систему опосредуется через фосфорилирование ПК А микроканальцевых белков. Микроканальцы способны сокращаться и расслабляться, перемещая гранулы по направлению к плазматической мембране обеспечивая экзоцитоз. Секреция инсулина в ответ на стимуляцию глюкозой представляет собой двухфазную реакцию, состоящую из стадии быстрого, раннего высвобождения инсулина, называемую первой фазой секреции (начинается через 1 мин, продолжается 5-10 мин), и второй фазы (продолжительность ее до 25-30 мин).

Транспорт инсулина. Инсулин водорастворим и не имеет белка-переносчика в плазме. Т1/2 инсулина в плазме крови составляет 3—10 мин, С-пептида — около 30 мин, проинсулина 20-23 мин.

Разрушение инсулина происходит под дей­ствием инсулинзависимой протеиназы и глутатион-инсулин-трансгидрогеназы в тканях мишенях: в основном в пе­чени (за 1 проход через печень разрушается около 50% инсулина), в меньшей степени в почках и плаценте. БИОЛОГИЧЕСКИЕ

Углеводы. ФУНКЦИИ ИНСУЛИНА

Инсулин — главный анаболический гормон, он влияет на все виды обмена веществ во всём организме. Однако в первую очередь действие инсулина касается обмена углеводов.

Влияние инсулина на метаболизм глюкозы

Ин­сулин стимулирует утилизацию глюкозы в клетках разными путями. Около 50% глюкозы использует­ся в процессе гликолиза, 30—40% превращается в жиры и около 10% накапливается в форме глико­гена. Общий результат стимуляции этих процес­сов — снижение концентрации глюкозы в крови.

Влияние инсулина на метаболизм липидов

В пе­чени и жировой ткани инсулин стимулирует син­тез липидов, обеспечивая получение для этого про­цесса необходимых субстратов (ацетил-КоА, глицерофосфат и NADPH2) из глюкозы. В жировой ткани инсулин тормозит мобилизацию липидов, что снижает концентрацию жирных кислот, циркулирующих в крови.

Влияние инсулина на метаболизм белков

Инсулин оказывает в целом анаболическое действие на белковый обмен. Он стимулирует потребление нейтральных аминокислот в мышцах и синтез белков в печени, мышцах и сердце. Кроме того, инсулин регулирует клеточную дифференцировку, пролифе­рацию и трансформацию боль­шого количества клеток. Инсулин поддерживает рост и репликацию многих клеток эпителиального происхождения, в том числе гепатоцитов, опухолевых клеток. Инсулин усиливает спо­собность фактора роста фибробластов (ФРФ), тромбоцитарного фактора роста (ТФР), фак­тора роста эпидермиса (ФРЭ), простагландина (ПГF2a), вазопрессина и аналогов цАМФ акти­вировать размножение клеток.

Основные направления действия инсулина

1. Инсулин регулирует транспорт веществ Инсулин стимулирует транспорт в клетку глюкозы, аминокислот, нуклеозидов, органического фосфата, ионов К+ и Са2+. Эффект проявляются очень быстро, в течение несколь­ких секунд и минут. Транспорт глюкозы в клетки происходит при участии ГЛЮТ. В мышцах и жировой ткани инсули­нзависимый ГЛЮТ-4, в отсутствие инсулина находится в цитозольных везикулах. Под влиянием инсулина происходит транслокация везикул с ГЛЮТ в плазмати­ческую мембрану и начинается транспорт глюкозы. При снижении концентрации инсулина, ГЛЮТ-4 возвращаются в цитозоль, и транспорт глюкозы прекращается.

2. Инсулин регулирует синтез ферментов Инсулин влияет на скорость транскрипции более чем 100 специфических мРНК в печени, жировой ткани, скелетных мышцах и сердце. Эффект реализуется в течение несколько часов. В клетках печени инсулин индуцирует синтез ключевых ферментов гликолиза (глюкокиназы, фруктокиназы и пируваткиназы), ПФШ (глюкозо-6ф ДГ), липогенеза (цитратлиаза, пальмитатсинтаза, Ацетил-КоА-карбоксилаза) и репрессирует синтез ключевого фермента глюконеогенеза (ФЕП карбоксикиназу).

3. Инсулин регулирует активность ферментов Инсулин регулирует активность ферментов путем их фосфорилирования и дефосфорилирования. Эффект проявляются очень быстро, в течение несколь­ких секунд и минут.

• Инсулин активирует ключевые ферменты гликолиза: в печени, мышцах, жировой ткани – фосфофруктокиназу и пирруваткиназу; в печени – глюкокиназу; в мышцах – гексокиназу II.
• Инсулин ингибирует в печени глюкозо-6-фосфотазу, что тормозит глюконеогенез и выход глюкозы в кровь.
• Инсулин активирует фосфопротеинфосфотазу гликогенсинтазы и гликогенфосфорилазы, в результате активируется синте­з гликогена и тормозится его распад. В адипоцитах инсулин активирует ключевой фермент липогенеза (АцетилКоА-карбоксилазу). Инсулин в гепатоцитах и адипоцитах активирует фосфопротеинфосфатазу, которая дефосфорилирует и инактивирует ТАГ-липазу, что тормозит липолиз.
• Инсулин снижает активность аминотрансфераз и ферментов цикла мочевины. Последний эффект инсулина характеризуется повышением активности РНК-полимеразы и концентрации РНК в печени. При этом увеличивается скорость образования полисом и рибосом.
• Инсулин активирует ФДЭ, которая снижает концентра­цию цАМФ, прерывает эффекты контринсулярных гормонов: в печени и жировой ткани тормозит липолиз, в печени и мышцах – глюконеогенез.

Углеводы. МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ИНСУЛИНА

Инсулин связы­вается с инсулиновым рецептором (IR), находящимся на мембране. IR обнаруже­ны почти во всех типах клеток, но больше все­го их в гепатоцитах и клетках жировой тка­ни (концентрация достигает до 20000 на клетку). IR постоянно син­тезируется (ген в 19 хромосоме) и разрушается. После связывания инсулина с IR весь комплекс погружается в цитоплазму, достигает лизосом, где инсулин разрушается, а IR может разрушаться, а может возвращаться мембрану. Т1/2 IR 7—12 ч, но в присутствии инсулина уменьшается до 2-3 ч. При высокой концентрации инсу­лина в плазме крови, число IR может умень­шаться в результате усиленного разрушения в лизосомах. Также у IR может снижаться активность при его фосфорилировании по ос­таткам серина и треонина.

Рецептор инсулина (IR) – гликопротеин, состоит из 2 α и 2 β субъединиц связанных дисульфидными связями. α субъединицы (719 АК) расположены вне клетки, они связывают инсулин, а β субъединицы (трансмебранный белок, 620 АК) обладают тирозинкиназной активностью. После присоединения гормона к α субъединицам, β субъединицы сначала фосфорилируют друг друга, а затем внутриклеточные белки — суб­страты инсулинового рецептора (IRS). Извест­но несколько таких субстратов: IRS-1, IRS-2 (фосфопротеины, состоящие из более чем 1200 аминокислот), Shc, а также некоторые белки семейства STAT.

Активация инсулином сигнального пути Ras

Фосфорилированный инсулиновым рецептором She соединяется с небольшим цитозольным белком Grb. К образо­вавшемуся комплексу присоединяется с Ras-белок (из се­мейства малых ГТФ-связывающих белков, в неактивном состоянии прикреплён к внутренней поверхности плазматической мем­браны и связан с ГДФ), GAP (от англ. GTP-ase activating factor — фактор, активирующий ГТФазу), GEF (от англ. GTP exchange factor — фактор обмена ГТФ) и SOS (от англ. son ofsevenless, названный по му­тации гена у дрозофилы). Два последних белка способствуют отделению ГДФ от Ras-бел­ка и присоединению к нему ГТФ, с образованием активной ГТФ-связанной формы Ras. Активированный Ras соединяется с протеинкиназой Raf-1 и активирует ее в результате многоэтапного процес­са. Акти­вированная ПК Raf-1 стимулирует каскад реакций фосфорилирования и активации дру­гих протеинкиназ. ПК Raf-1 фосфорилирует и активирует киназу МАПК, которая, в свою очередь, фосфорилирует и активирует митогенактивируемые протеинкиназы МАПК. МАПК фосфорилирует многие цитоплазматические белки: ПК pp90S6, бел­ки рибосом, фосфолипазу А2, активаторы транскрипции STAT. В результате активации протеинкиназ происходит фосфорилирование ферментов и факторов транскрипции, что со­ставляет основу многочисленных эффектов ин­сулина.

Активация гликогенсинтазы

ПК pp90S6 фосфорилирует и активирует фосфопротеинфосфатазу (ФПФ). ФПФ дефосфорилирует и инактивирует киназу гликогенфосфорилазы и гликогенфосфорилазу, дефосфорилирует и активирует гликогенсинтазу. В результате активируется синтез гликогена, а распад – ингибируется.

Активация инозитолтрифосфатной системы

Фосфорилированные инсулином белки IRS-1 присоединяются к ФЛ С и активируют ее. ФЛ С расщепляет фосфатидилинозитолы с образованием инозитолфосфатов и ДАГ. Фосфорилированные инсулином белки IRS-1 и Shc присоединяются к фосфоинозитол-3-киназе (ФИ-3-киназа) и активируют ее. ФИ-3-киназа катализирует фосфорилирование инозитолфосфатов (ФИ, ФИ-4-ф и ФИ-4,5-бф) в 3 положении, образуя инозитолполифосфаты: ФИ-3-ф, ФИ-3,4-бф, ФИ-3,4,5-тф. ФИ-3,4,5-тф (ИФ3) стимулирует мобилизацию Са2+ из ЭПР. Са2+ и ДАГ активирует специфические ПК С. Са2+ активирует микроканальцы, которые осуществляют транслока­цию ГЛЮТ-4 в плазматическую мембрану, и та­ким образом ускоряет трансмембранный перенос глюкозы в клетки жировой и мышечной ткани.

Активация фосфодиэстеразы

Фосфорилированные инсулином белки IRS-1 и Shc присоединяются к протеинкиназе В (ПК В) и активируют ее. ПК В фосфорилирует и активирует фосфодиэстеразу (ФДЭ). ФДЭ катализирует превращение цАМФ в АМФ, прерывая эффекты контринсулярных гормонов, что приводит к торможению липолиза в жировой ткани, гликогенолиза в печени.

Регуляция транскрипции мРНК

STAT – особые белки, являются переносчиками сигнала и активаторами транскрипции. При фосфорилировании STAT с участием IR или МАПК образуют димеры, которые транспортируются в ядро, где связываются со специфическими участками ДНК, регулируют транскрипцию мРНК и биосинтез белков-фементов. Путь Ras активирует­ся не только инсулином, но и дру­гими гормонами и факторами роста.