Синтез производных моносахаров.

Образование сложных эфиров:

Глюкоза + АТФ → Глюкозо-6-фосфат

Кето-альдозные превращения:

Глюкозо-6-фосфат ↔ фруктозо-6-фосфат ↔ Маннозо-6-фосфат

Трансгликозидазные реакции (приводят к образованию гликозидных связей):

_{- УДФ}

УДФ – галактоза + глюкоза → галактоза – глюкоза

(лактоза)

Образование уроновых кислот:

_{2НАД → 2НАДН}

УДФ – глюкоза →→→ УДФ – глюкуроновая кислота

Образование аминосахаров:

Глюкозо-6-фосфат + Глютамин → Глютамат + Глюкозамин-6-фосфат

Эпимеразные реакции:

УДФ – глюкоза ↔ УДФ – галактоза

УДФ-N-ацетилглюкозамин ↔ УДФ-N-ацетилгалактозамин

Регуляция углеводного обмена.

Углеводный обмен регулируется на различных уровнях: это гормональный (эндокринный) уровень (при участии ЦНС) и метаболический (внутриклеточный).

Участие ЦНС в регуляции обмена углеводов подтверждается рядом факторов.

Например, укол в область 4-го желудочка (сахарный укол) вызывает гипергликемию и глюкозурию. Раздражение нервных стволов (блуждающего, чревного и т.д. ) нарушает углеводный обмен, возникает так называемая «рефлекторная дуга».При эмоциональном стрессе –повышается содержание сахара в крови и т.д.

Чрезвычайно большое значение в регуляции углеводного обмена принадлежит гормонам. В ответ на различные отклонения, например, низкий уровень сахара в крови или секрецию гормонов гипоталамуса, в мозговом слое надпочечников синтезируется адреналин. Адреналин с током крови переносится в ткани-мишени, преимущественно в мышцы. Его действие на мышечные клетки приводит к увеличению потребления глюкозы в процессе гликолиза, что улучшает снабжение сокращающихся мышц энергией. Действие его осуществляется с помощью так называемого «регуляторного каскада». На поверхности клетки адреналин вступает в комплекс со специфическим белком R , при этом происходит конформационное изменение аденилатциклазы встроенной в мембрану, в результате которого она активируется и катализирует процесс перехода АТФ в цАМФ. В свою очередь, цАМФ активирует протеинкиназу, ко-торая участвует в АТФ-зависимом фосфорилировании киназы фосфорилазы. В результате этого киназа- фосфорилазы катализирует процесс перехода неактивной формы фосфорилазы «В» в активную форму- фосфорилаза «А». Тем самым усиливается распад гликогена, увеличивается содержание глюкозы, которая при распаде может дать большое количество АТФ . Помимо указанного пути активирования аденилатциклазы, повысить активность указанного результата можно и другим путем. Ионы Са⁺⁺ способны связываться с белком мембраны кальмодулином. Образовавшийся комплекс вызывает конформационные изменения аденилатциклазы, повышая активность этого фермента. Как известно, при мышечном сокращении происходит значительный выброс ионов Са⁺⁺. Таким образом, само мышечное сокращение стимулирует процессы гликолиза.

Гормон пептидной природы - глюкагон. Генерация глюкагона происходит под действием адреналина. a-клетками островков Лангерганса поджелудочной железы в ответ на низкое содержание глюкозы в крови. Мишенью для глюкогона являются, в первую очередь, клетки печени. Под действием глюкогена печень вырабатывает большое количество глюкозы, которая затем с кровью переносится в другие ткани. Такой эффект достигается путем повышения образования глюкозо-6-фосфата в ходе цАМФ –зависимого регуляторного каскада, в некоторой степени сходного с адреналиновым каскадом. Глюкогоновый каскад запускается при связывании глюкогона со специфическим мембранным рецепторным белком, это приводит к активации аденилатциклазы и повышает уровень цАМФ, что активирует гликоген-фосфорилазу печени и ингибирует гликоген-синтазу. В результате повышается скорость образования Г-1-Ф и , следовательно, Г-6-Ф. Таким образом, в этом отношении глюкогон по своему действию идентичен адреналину-они оба активируют гликолиз посредством цАМФ. Однако, недавно было показано, что в печени глюкогоновый каскад включает также другой регуляторный компонент-Фруктозу-2,6-дифосфат. Его открыли в 1980г., т.к. он присутствует в очень малых количествах. Фактически, при определенных условиях его клеточная концетрация близка к О. Он образуется из Ф-6-Ф под действием фосфофруктокиназы-2 (не путать с фосфофруктокиназой-1, под действиям которой образуется Ф-1,6-дифосфат). Расщепление Фр.-2,6-дифосфата кабализирует фермент Ф-2,6-дифосфатаза .Существуют достоверные сведения о том, что Ф-2,6-дифосфат является активатором реакции

Ф-6-Ф → Ф-1,6-дифосфат и ингибитором обратной реакции: Ф-1,6-дифосфат → Ф-6-фосфат. При нормальном содержании глюкозы в крови (когда не вырабатывается глюкоген) подобная стимуляция гликолиза с помощью Ф-2,.6-дифосфата, возможно, представляет негормональный контроль метаболизма углеводов.

Однако, оказалось, что при действии глюкогона увеличивающего концентрацию цАМФ, приводит к тому, что цАМФ ингибирует фосфофруктокиназу-2 и активирует Ф-2,6-дифосфатазу, понижая, таким образом, концентрацию Ф-2,6-дифосфата. Итак, повышение внутриклеточной концентрации одного активатора гликолиза (цАМФ) приводит к уменьшению образования другого активатора гликолиза (Ф-2,6-диФ). Это объясняется тем, что влияние глюкогона сводится к повышении скорости образования Г-6-Ф- предшественника свободной глюкозы. При повышении уровня Ф-2,6-диФ ускоряется обратная реакция Ф-1,6-диФ Ф-6-Ф, который переходит в Г-6-Ф, а затем в глюкозу, т.е. повышается скорость глюконеогенеза.

Инсулин синтезируется b-клетками островков Лангерганса поджелудоч-ной жедлезы в ответ на повышение содержания глюкозы в крови. Клетками –мишенями для инсулина в первую очередь являются клетки мышц, печени и жировой ткани. В клетках каждого типа инсулин вначале связывается со специфическими белковыми рецепторами клеточной мембраны. В результате связывания стимулируется транспорт глюкозы внутрь клеток,а затем стимулируется утилизация внутриклеточной глюкозы в процессе синтеза гликогена, а также в процессе белкового и липидного синтеза. В результате происходит понижение содержания глюкозы в крови до нормального уровня, –а это сигнал для поджелудочной железы остановить синтез инсулина. Действие инсулина до конца еще не ясно. Возможно, стимуляция синтеза гликогена вызвана активацией цАМФ-фосфодиэстеразы инсулином. Это фермент, который разрушает цАМФ. При этом снижается содержание в клетке цАМФ, активируется гликоген-синтаза, что стимулирует синтез гликогена. Оказывают влияние на обмен углеводов и другие гормоны.

Так, соматотропин (гормон роста), синтезируемый передней долей гипофиза, тормозит сек-рецию инсулина. При гиперсекреции соматотропина возникает так называемый гипофизарный диабет. Соматостатин, вырабатываемый Д- клетками поджелудочной железы, ингибирует секрецию соматотропина и сложным образом влияет на секрецию инсулина и глюкогона. Он используется при лечении некоторых форм сахарного диабета. Влияют на обмен углеводов и гормоны коры надпочечников.

Кортизол (важнейший представитель глюкокортикондов) стимулирует процесс глюко-неогенеза из аминокислот и способствует накоплению гликогена в печени. Он также повышает уровень глюкозы в крови и снижает использование глюкозы в периферических тканях. Определенное влияние оказывают и гормоны щитовидной железы.

Тироксин, связывается со специфическими рецепторными белками, которые обеспечивают проникновение тироксина в клеточное ядро, где он, связываясь со специфическими генами, резко повышает синтез определенных ферментов и ферментных систем.

Метаболический контроль. Когда в клетке происходит переключение метаболических процессов, в ней изменяются концентрации многих метаболитов. Вот эти изменения в клетке служат сигналами для регуляции активности ключевых ферментов метаболических путей. Главными регуляторами –метаболитами являются АТФ, АДФ, АМФ, НАД⁺, НАДН. Клетка, интенсивно потребляющая энергию, характеризуется повышенным содержанием АДФ, АМФ и НАД⁺. Переход к состоянию «отдыха» сопровождается снижением уровня АДФ, АМФ, НАД⁺ и повышением содержания АТФ и НАДН.

В гликолизе выделяют 2 главных регулирующих этапа, один из которых катализируется фосфофруктокиназой, а второй - пируваткиназой,. Активаторами этих фосфатов будут являться: АДФ, АМФ, НАД⁺ , Фр.-1,6-дифосфат. Ингибиторы для них- АТФ, цитрат. Са⁺⁺, Мд⁺⁺,.НАДН. Ключевые ферменты глюконеогенеза – пируват-карбоксилаза (переход ПВК в ЩУК ) и фосфофруктодифосфотаза. Для этих фосфатов активаторы и нигибиторы те же, только наоборот. Алкоголь на глюконеогенез оказывает резко выраженное ингибирующее действие.

Патология обмена углеводов.

Все проявления патологических состояний углеводного обмена можно разделить на врожденные (вследствие генетических дефектов) и приобретенные (развивающиеся при каких-то других патологиях). Нарушения обмена углеводов могут возникать на каждой из стАДНй обмена.

Основные пути поступления глюкозы в клетку нам уже известны. Это:

1. с током крови моносахара поступают из тонкого кишечника, где они образуются при переваривании ( т.е. при гидролитическом расщеплении) олиго- и полисахаров),

2. при распаде гликогена,

3. в результате глюконеогенеза.

Нарушения углеводного обмена возможно на любом из этих этапов. Так, поступление моносахаризов в кровь из кишечника может быть нарушено в результате врожденной недостаточности мальтозы, изомальтазы, b-галактозидазы и т.д., т е. не будет происходить расщепление дисахаров до моносахаров и, следовательно, значительно меньшее их количество будет всасываться (т.е. моносахаров). Такой же эффект будет отмечаться и при патологиях, сопровождающихся нарушениями в слизистой оболочке желудка и кишечника (различного рода энтериты, гастриты и т.д.). Второй путь поступления глюкозы может быть тоже нарушен. Существует целая группа заболеваний, связанная с нарушением распада гликогена и, как следствие этого накопление его в печени и в др. тканях. Это гликогенозы. Т.е. состояния, связанные с энзимодефектом и проявляющиеся либо необычной структурой гликогена, либо его накоплением. Различают различные типы гликогенозов (болезнь Гирке , болезнь Кори, болезнь Андерсена ,болезнь Мак-Ардля и т.д.)

Градацию проводят в зависимости от локализации пораженного фермента и, следовательно, от локализации гликогена. Это могут быть ферменты: глюкозо-6-фосфотаза.a-1,4(1,6)-гликозидаза, фосфорилаза, киназа, фосфорилазы, фосфофруктокиназа, гликогенсинтаза. Это все ферменты печени и мышц.Третий путь поступления глюкозы в клетку –глюконеогенез. Тоже может быть нарушен. Может быть генетическое нарушение синтеза ферментов катализирующих глюконеогенез (пируваткарбоксилаза, фосфоосполпиру-ваткарбоксикиназа, фруктозо-1,6-дифосфатаза, глюкозо-6-фосфатаза).

Очень обширная группа патологий связана с дальнейшей утилизацией моносахаров в клетке. В основном, эти патологии связаны с недостаточной активностью и вообще отсутствием оной у ряда ключевых ферментов, катализирующих дальнейшее превращение моносахаров в клетке.

Галактоза. Главные ферменты метаболизма –галактокиназа (катализирует процесс образования галактозо-1-фосфат из галактозы) и галактозофосфатуридилтрансферраза (катализирует процесс взаимодействия галактозо-1-фосфата и УДФ-глюкозы с образованием УДФ-галактозы и глюкозо-1-фосфата). Чаще отмечается дефект второго фермента. Как правило, это врожденный метаболический порок грудного возраста, когда утилизация галактозы, являющейся составной частью лактозы, особенно важна. При этой патологии в крови и тканях накапливается много галактозы и галактозо-1-фосфата, что может приводить к циррозу печени, почек, катаракте (вследствие накопления в хрусталике многоатомного спирта галактита, так называемый «дульцит»), наблюдается отставание в умственном развитии.

Фруктоза. При обмене фруктозы отмечаться недостаточность фруктокиназы (переводит фруктозу во фруктозо-1-фосфат) и фруктозо-1-фосфатальдолазы (катализирует расщепление фруктозо-1-фосфата на две триозы, которые далее направляются гликолиз). И в одном, и в другом случае патология связана с выраженными поражениями печени (говорят о наследственной непереносимости фруктозы, проявляется вслед за введением в рацион ребёнка фруктов или соков, содержащих фруктозу или её источник – сахарозу). Это тоже врождённая патология. Отмечается в ряде случаев и недостаточность фермента: фруктозо-1,6-дифосфатальдолаза (катализирует расщепление фруктозо-1,6-дифосфата на две триозы). Клинические проявления схожи с описанными выше.Катаболизм глюкозы в клетке тоже может сопровождаться тяжёлыми патологиями. Так, если глюкоза распадается по пентозо-фосфатному пути, то дефект глюкозо-6-фосфат ДГ ведёт к выраженной гемолитической анемии, т.к. резко снижена продукция НАДФН – это ведёт к значительному уменьшению содержания в эритроцитах восстановленного глютатиона, который предохраняет белки, содержащие SН-группы и липиды в составе мембран от окисления. Таким образом, если окисление этих соединений всё же происходит, целостность мембран нарушается, что в итоге приводит к гемолизуНарушение скорости гликолитическооого пути распада глюкозы тоже может быть связано с изменением активности ферментов , отвечающих за этот путь утилизации глюкозы. На эти ферменты могут действовать токсины или изменение продукции гормонов.

Мы уже говорили, что в регуляции углеводного обмена значительную роль играют гормоны. Естественно, гипер- или гипофункция многих желез внутренней секреции может привести к патологии обмена углеводов. Как правило, эта гипер- или гипофункция связана с какой-либо другой патологией. Так, например, в результате абсолютной или относительной недостаточности инсулина возникает сахарный диабет. Различают следующие формы сахарного диабета:

1. Инсулинзависимый сахарный диабет (инсулинотерапия необходима, т.к. есть склонность к развитию кетоацидоза). Как правило, заболевание начинается в детстве, связано с ожирением, считают, что возникает вследствие вирусной инфекции, приводящей к разрушению b-клеток поджелудочной железы.

2. Инсулиннезависимый сахарный диабет (инсулин для лечения не является необходимым). Наиболее распространён. Развитие кето-ацидоза отмечается значительно реже. Заболевают чаще взрослые. Ожирения может и не быть. Возникает, как правило, вследствие наследственных аномалий.

3. Диабет, связанный с другими патологическими состояниями:

Øабсолютная недостаточность инсулина, обусловленная заболеваниями

поджелудочной железы (хронический панкреатит, гемохроматоз, кистозный

фиброз)

Øотносительная недостаточность инсулина, обусловленная либо избыточной

секрецией соматотропина (акромегалия), либо глюкокортикоидов (синдром Кушинга), либо повышением содержания глюкокортикоидов вследствие введения стероидов.

Ø относительная недостаточность инсулина при действии некоторых других

лекарственных средств

4) Диабет беременных. Как правило, после родов проходит.

Важную роль в диагностике сахарного диабета играет определение толерантности организма к углеводам (или это называют пробой с сахарной нагрузкой, или построение сахарной кривой). Суть метода: у пациента натощак измеряют уровень глюкозы крови, затем дают глюкозную нагрузку (из расчета 1г на 1 кг веса) и через 30, 60, 90, 120 минут (т.е. в течение двух часов) определяют уровень глюкозы в крови. В первые 30 минут уровень глюкозы в крови резко повышается, т.к. происходит массивное всасывание глюкозы из кишечника. В ответ на это поджелудочная железа активно генерирует инсулин и через 90 –120 минут уровень глюкозы в крови соответствует исходному уровню и даже может быть ниже исходного (вследствие массивного выброса инсулина). Если же через 90 – 120 минут после сахарной нагрузки уровень глюкозы в крови остаётся на высоких цифрах, то это важное свидетельство в пользу сахарного диабета.

Помимо гипергликемии нарушение обмена углеводов может привести и к гипогликемии. Выделяют гипогликемию, связанную с голоданием (характерно развитие симптомов ночью или рано утром). Т.е. при этом происходит либо избыточная утилизация глюкозы, либо нарушению механизмов, сохраняющих глюкозу или прдуцирующих её. Наиболее важные причины, вызывающие гипогликемию такого рода:

1) чрезмерно высокое содержание инсулина, обусловленное опухолью или гиперплазмией клеток островков поджелудочной железы (инсулинома)

2) недостаточностью глюкокортикойдов

3) тяжёлые заболевания печени (гепатит, некроз)

4) опухоли, локализованные вне поджелудочной железы.

Выделяют гипогликомию, не связанную с голоданием. При этом в тяжёлых случаях симптомы развиваются через 5 – 6 часов после приёма пищи, и может быть отмечена зависимость развития симптомов между приёмами определённых пищевых продуктов или лекарственных средств. К числу веществ, провоцирующих в этих случаях гипогликемию, относятся:

1) лекарственные средства (особенно инсулин). Может возникнуть при передозировке инсулина, или если вслед за уколом последовал приём пищи.

2) глюкоза (реактивная гипогликемия). Может возникнуть при гастрэктомии, когда глюкоза очень быстро поступает в кишечник, быстро всасывается и вызывает массивный выброс инсулина.

3) алкоголь, он снижает скорость глюконеогенеза (особенно натощак или в состоянии голодания, т.к. в этом случае глюконеогенез – основной источник глюкозы).

4) галактоза (в молоке) – у детей (галактоземия)

5) фруктоза (в продуктах, содержащих сахарозу)

6) лейцин (аминокислота, содержащаяся в казеине).

(1) Может возникнуть при передозировке инсулина, или если вслед за уколом последовал прием пищи.

(2) Может возникнуть при гастроэктомии, когда глюкоза очень быстро поступает в кишечник, быстро всасывается и вызывает массивный выброс инсулина.

(3) Алкоголь снижает скорость глюконеогенеза (особенно натощак или в состоянии голодания, так как в этом случае глюконеогенез – основной источник глюкозы).

6)Тоже у детей. Возникает на протяжении первых шести месяцев жизни. Тяжёлая гипогликемия. Чувствительность к лейцину, по-видимому, обусловлена чрезмерной стимуляцией секреции инсулина, зачастую это – наследственная особенность. Лечение – диета, исключающая лейцин. К шести годам, как правило, всё проходит.