Переваривание и всасывание углеводов

Глава 4. Углеводный обмен

Раздел 1. Значение изучаемой темы

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

Раздел 2. Сведения об углеводном обмене

Функции углеводов

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

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

- являются составными частями более сложных соединений;

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

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

- выполняют специфические функции.

Переваривание и всасывание углеводов

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

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

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

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

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

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

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

Роль печени в обмене углеводов

Печень в обмене углеводов выполняет важные функции:

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

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

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

4. Синтез гликопротеинов крови.

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

Образование активной формы глюкозы и значение этой реакции

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

Синтез и распад гликогена

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

Распад гликогена происходит двумя путями:

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

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

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

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

Гликолиз. Значение. Регуляция.

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

Гликолиз состоит из двух стадий: подготовительной и главной.

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

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

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

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

Преимущества гликолиза:

- быстрый процесс;

- анаэробный.

Недостатки гликолиза:

- малоэффективный процесс;

- продуктом гликолиза является лактат, накопление которого в

клет­ках и в крови вызывает метаболический ацидоз.

Глюконеогенез. Значение. Регуляция.

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

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

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

Значение глюконеогенеза

1. Является важным источником глюкозы в организме;

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

Регуляция глюконеогенеза

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

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

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

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

Пентозофосфатный путь (ПФП)

Это прямое окисление глюкозо-6-фосфата. Состоит из двух частей: окисли­тельной (необратимой) и неокислительной (обратимой). В ходе окислитель­ной части ПФП при участии глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы и 6-фосфоглю­конатдегидрогеназы глюкозо-6-фосфат окисляется с образованием рибозо-5-фосфата, СО₂, 2 молекул НАДФН. В неокислительной части ПФП из каждых трех молекул рибозо-5-фосфата образуются 1 молекула фосфоглицерино­вого альдегида и 2 молекулы фруктозо-6-фосфата. Дальнейшая судьба этих метаболитов известна: они могут либо окисляться в гликолизе и, в зависимо­сти от условий, превращаться в лактат или пируват, либо использоваться в ГНГ на образование глюкозы. Если метаболиты окислительной части ПФП будут использоваться в ГНГ, тогда будет иметь место замыкание процесса, то есть ПФП примет вид цикла. Для протекания неокислительной части ПФП необходим витамин В_1.

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

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

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

Глюкоза крови

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