Общая схема обмена углеводов в организме

Мы рассмотрели в предыдущих лекциях отдельные метаболические процессы углеводного обмена. Сегодня мы сделаем попытку увязать эти процессы в единое целое, указав также в пределах имеющихся знаний взаимосвязи обмена углеводов с метаболизмом соединений других классов:

Углеводы пищи поступают во внутреннюю среду организма в виде гексоз, которые в клетках подвергаются фосфорилированию Гексозофосфаты используются для синтеза резервного гликогена или через через свои производные идут на синтез структурных полисахаридов. С другой стороны гексозофосфаты подвергаются в клетках расщеплению до конечных продуктов через триозофосфаты, пируват и ацетилКоА.

Промежуточные продукты распада гексозофосфатов, такие как триозофосфаты и ацетиКоА, используются для синтеза липидов; триозофосфаты, пируват и промежуточные продукты цикла Кребса используются для синтеза аминокислот. Наконец, путем превращения пирувата в оксалоацетат углеродный скелет углеводов может использоваться для пополнения пула оксалоацетата в клетках.

В свою очередь триозофосфаты из липидов и углеродные скелеты многих аминокислот используются в клетках для глюконеогенеза.

4.2. Регуляция содержания глюкозы в крови и метаболизма углеводов в организме

Контроль метаболизма углеводов в организме осуществляется единой нейрогуморальной системой, однако в её работе можно выделить три группы механизмов:

а) Контроль с помощью нервных механизмов: возбуждение того или иного отдела ЦНС > передача импульсов по нервным стволам > выделение медиаторов > воздействие на обмен углеводов в клетках.

б) Контроль с помощью нейрогормональных механизмов: возбуждение подкорковых метаболических центров Д> выделение гормонов гипотпламуса > выделение гормонов гипофиза > выделение гормонов переферических желез внутренней секреции > воздействие гормонов на метаболизм углеводов в клетках.

г) Контроль с помощью метаболитногуморальных механизмов типа: повышение концентрации глюкозы в крови > повышение продукции инсулина островковым аппаратом поджелудочной железы > активация процессов усвоения глюкозы клетками.

Одной из важнейших задач системы регуляции обмена углеводов является поержание концентрации глюкозы на определенном уровнев пределах 3,3 5,5 мМ/л обеспечивающей нормальное снабжение клеток различных органов и тканей этим моносахаридом, служащим для них и энергетическим топливом и источником пластического материала для различных биосинтезов. Постоянная концентрация глюкозы в крови есть результат достаточно сложного баланса процессов поступления глюкозы в кровь и процессов её утилизации в органах и тканях.

Важную роль в поержании постоянной концентрации глюкозы в крови играет эндокринная система организма. Целый ряд гормонов повышает содержание глюкозы в крови: глюкагон, адреналин, глюкокортикоиды / для человека это в основном кортизол /, соматотропный гормон, тироксин.

Глюкагон повышает содержание глюкозы в крови за счет главным образом стимуляции процесса «мобилизации» гликогена в печени, механизм стимуляции мы уже обсуждали. Кроме того, глюкагон стимулирует до некоторой степени процесс глюконеогенеза, причем стимуляция идет за счет повышения активности одного из ферментов глюконеогенеза фруктозо1,6бисфосфатазы. Глюкагон выделяется альфаклетками островков Лангерганса поджелудочной железы при снижении содержания глюкозы в крови. Поскольку ответная реакция на повышение содержания глюкагона в крови базируется на изменении активности уже имеющихся в клетках ферментов, наблюдается быстрое повышение концентрации глюкозы в крови. Следует отметить, что глюкагон не влияет на скорость расщепления гликогена в мышцах.

Адреналин секретируется в кровь мозговым веществом надпочечников в экстремальных ситуациях. В первую очередь адреналин стимулирует расщепление гликогена в мышцах, обеспечивая таким образом миоциты энергетическим топливом, однако, как мы уже знаем, в мышцах нет глюкозо6фосфатазы, поэтому свободная глюкоза в миоцитах не образуется и в кровь не поступает. В то же время адреналин способен ускорять расщепление гликогена в печени за счет активации фосфорилазы; образующаяся глюкоза поступает из гепатоцитов в кровь, где её концентрация повышается. Повышение содержания глюкозы в крови в ответ на выброс в кровь из надпочечников адреналина также развивается быстро, так как обусловлено повышением активности имеющихся в гепатоцитах ферментов.

Кортизол, как и другие глюкокортикоиды, вызывают повышение содержания глюкозы в крови за счет двух эффектов: вопервых, он тормозит поступление глюкозы из крови в клетки ряда периферических тканей, таких как мышечная или соединительная ткани; вовторых, кортизол является основным стимулятором глюконеогенеза, причем стимуляция глюконеогенеза является главным механизмом, ответственным за увеличение концентрации глюкозы крови. Стимуляция

глюконеогенеза идет за счет увеличения скорости расщепления белков в периферических тканях, увеличения потребления аминокислот печенью и увеличения в гепатоцитах количества ферментов, принимающих участие в глюконеогенезе. Эффект кортизола развивается медленно: содержание глюкозы в крови начинает повышаться через 4 6 часов после введения кортизола и достигает максимума где то через сутки. Интересно, что повышение содержания глюкозы в крови при

ведении кортизола сопровождается и нарастанием содержания гликогена в печени, тогда как при введении глюкагона содержание гликогена в печени снижается.

Соматотропный гормон гипофиза также в целом вызывает повышение содержания глюкозы в крови, но следует помнить что его введение вызывает двухфазный ответ: в течение первой четверти часа содержание глюкозы в крови снижается, а затем развивается продолжительное повышение её уровня в крови. Механизм этой ответной реакции окончательно не выяснен. Предполагают, что на первом этапе происходит небольшое нарастание содержание инсулина в сыворотке крови, за счет чего и происходит снижение содержания в ней глюкозы. В более отдаленном периоде, повышение содержания глюкозы в крови является следствием нескольких эффектов: уменьшения поступления глюкозы в некоторые ткани, например, в мышцы; повышения поступления в кровь глюкагона из поджелудочной железы; уменьшения скорости окисления глюкозы в клетках в результате повышенного поступления в клетки более эффективного энергетического топлива жирных кислот, последние , как мы говорили ранее, ингибируют пируваткиназу. Длительное введение соматотропного гормона приводит к развитию сахарного диабета.

Тироксин также вызывает повышение содержания глюкозы в крови, однако механизм этого эффекта до настоящего времени не ясен. Известно, что при гипертиреозе окисление глюкозы идет с нормальной или повышенной скоростью, содержание глюкозы натощак повышено, одновременно у больных с гипертиреозом снижено содержание гликогена в печени.

Гормоном, снижающим содержание глюкозы в крови, является инсулин, он выделяется в кровь бетаклетками островков Лангерганса в ответ на повышение содержания глюкозы в крови. Снижение содержания глюкозы в крови обусловлено тремя группами эффектов: вопервых, инсулин повышает проницаемость клеточных мембран для глюкозы, способствуя переходу глюкозы из крови и межклеточной жидкости в клетки; вовторых, инсулин улучшает усвоение глюкозы клетками, стимулируя фосфорилирование глюкозы, её окислительный распад, а также ускоряя процессы перевода глюкозы в гликоген и превращения её в триглицериды; в третьих, инсулин тормозит процессы глюконеогенеза и расщепления гликогена в гепатоцитах до глюкозы. Ответнаяреакция на введение инсулина развивается быстро.

Следует заметить, что в физиологическом плане гормоны глюкагон и инсулин не являются антагонистами: глюкагон обеспечивает перевод резервного гликогена печени в глюкозу, а инсулин обеспечивает поступление этой глюкозы из крови в клетки периферических тканей и её последующую утилизацию в клетках.

Синтез гликозаминогликанов стимулируется тестостероном и соматотропным гормоном, причем под действием соматотропина в печени синтезируется пептид из группы соматомединов, так называемый сульфатирующий фактор, именно последний и является истинным стимулятором синтеза гетерополисахаридов межклеточного вещества соединительной ткани. Синтез гликозаминогликанов тормозят глюкокортикоиды. Отмечено, что в местах иньекций кортизола количество межклеточного вещества в соединительной ткани уменьшается.

4.3. Патология углеводного обмена

Нарушения углеводного обмена достаточно многочисленны и разнообразны. Эти нарушения могут быть первичными в таком случае они обусловлены генетическим дефектом, выражающемся в нарушении выработки того или фермента: фермент может не синтезироваться вообще, он может синтезироваться в недостаточном количестве или же он синтезируется с измененными каталитическими или регуляторными свойствами. В любом из этих случаев нарушаются процессы углеводного обмена, что проявляется или в виде заболеваний, или в виде наследственной предрасположенности к развитию того или иного заболевания.

Вторую группу нарушении составляют вторичные нарушения обмена углеводов, развивающиеся на фоне того или иного заболевания. Так, многие эндокринные заболевания:сахарный диабет,бронзовая болезнь, болезнь Гревса , болезнь ИценкоКушинга сопровождаются тяжелыми метаболическими расстройствами, в то числе и обмена углеводов. Нарушения обмена углеводов наблюдаются при заболеваниях печени, кишечника, почек и др. органов.

4.3.1. Наследственные или первичные нарушения обмена углеводов

4.3.1.1. Непереносимость лактозы

К настоящему времени известны десятки наследственных болезней причинами которых являются нарушения синтеза того или иного фермента углеводного обмена. Одним из таких заболеваний является непереносимость лактозы. У людей, страдающих непереносимостью лактозы, в кишечнике не синтезируется фермент лактаза, обеспечивающий в норме расщепление лактозы до глюкозы и галактозы. Поскольку дисахариды не всасываются, поступившая с пищей лактоза остается в просвете кишечника, где она разлагается под действием микрофлоры. Образуется много различных продуктов микробного расщепления лактозы, в том числе и газообразных. Изза повышения осмотического давления в кишечника жидкость из крови уходит в просвет кишечника, следствием чего могут быть понос или рвота, у детей развивается дегидратация, которая ими переносится крайне тяжело. Одновременно развивается метеоризм. В кровь из кишечника поступают токсичные продукты микробного расщепления галактозы, например, ряд альдегидов. Кроме того, для маленьких детей существенное значение имеет недостаточное поступление в организм углеводов, поскольку при грудном вскармливании лактоза является практически единственным углеводом их пищи. Интересно, что синтез лактазы может быть нарушен у взрослых, хотя в детском возрасте нарушений усвоения лактозы у них не было. Трудности в усвоении лактозы встречаются примерно у 20% взрослого населения Европы и примерно у 80 % африканцев или индейцев. Все неприятные симптомы исчезают при удалении лактозы из пищи, но для грудных детей это означает переход на искусственное вскармливание.

Галактоземия

Значительно опаснее для детей раннего возраста нарушение усвоения моносахарида галактозы—так называемая галактоземия. У таких детей в крови повышено содержание галактозы, этот моносахарид выделяется также с мочой. Причиной развития заболевания является врожденное нарушения синтеза одного из ферментов обмена галактозы. При швейцарском варианте галактоземии у ребенка нарушен синтез галактокиназы, отвечающей за фосфорилирование в клетках галактозы. Галактоза не усваивается и часть её восстанавливается в токсичный для клеток шестиатомный спирт галактитол.

При африканском варианте галактоземии у ребенка нарушен синтез фермента гексозо1фосфатуридилтрансферазы , в результате в клетках накапливается галактоза и галактозо1фосфат. Их накопление и оказывает токсическое воздействие на клетки. Африканский вариант галактоземии более тяжелый: вероятно дело в том, что накапливающийся при этом варианте галактозо1фосфат, как и любой другой фосфорный эфир моносахаридов, не способен выходить из клеток, тогда как свободная галактоза, накапливающаяся в организме при швейцарском варианте, свободно покидает клетки и легко выводится с мочой.

При галактоземии признаки заболевания появляются уже через несколько дней после начала кормления: появляются тошнота, рвота, дегидратация, желтушность, позднее присоединяются гепатоспленомегалия и поражение почек. Для больных детей характерны задержка умственного и физического развития, раннее появление катарактыпомутнения хрусталика. Лечение перевод на диету, не содержащую галактозы. Интересно, что у детей с африканским вариантом галактоземии к примерно годовалому возрасту в печени начинается синтез фермента галактозо1фосфатуридилтрансферазы и усвоение галактозы постепенно улучшается, но к этому времени в организме ребенка уже развивается ряд необратимых изменений. Поэтому лишь своевременная диагностика галактоземии позволяет спасти ребенка.