Раздел 4. Структура и обмен углеводов

Нарушение обмена углеводов играет важную роль в механизме развития многих тяжелых заболеваний (сахарного диабета, злокачественных опухолей, гликогенозов).

Цель изучения раздела: Уметь применять знания о функциях углеводов, об их синтезе, катаболизме, о взаимосвязи этих процессов и механизмах регуляции для объяснений нарушений обмена при патологии.

Студент должен:

Знать:

взаимосвязь между процессами распада углеводов и энергообеспечением организма;

– представления о субстратных и гормональных механизмах регуляции обмена углеводов;

особенности обмена углеводов в различных органах – печени, мышцах, мозге, жирорастворимой ткани, эритроцитах;

– причины нарушений обмена углеводов при сахарном диабете, злокачественных опухолях, инфаркте миокарда, гликогенозах.

Рекомендуемые темы реферативных сообщений

1. Нарушения переваривания и всасывания углеводов.

2. Неперевариваемые углеводы и их роль в питании (основной компонент пищевых волокон).

3.Механизмы трансмембранного переноса моносахаридов в клетки. Белки-транспортеры глюкозы (ГЛЮТы).

3. Поддержание и нарушения гомеостаза глюкозы в организме.

4. Сравнительная характеристика методов определения глюкозы крови.

5. Пробы с сахарной нагрузкой: методика проведения, типы гликемических кривых, диагностическое значение.

6. Регуляция метаболизма гликогена.

7. Гликогеновые болезни.

8. Биологическое значение гликолиза в различных тканях и органах.

9. Перенос восстановленных эквивалентов от цитозольного НАДН в митохондриальный матрикс (челночные механизмы).

11. Глюконеогенез. Биологическое значение при патологических состояниях.
12. Регуляция гликолиза и глюконеогенеза в печени.

13. Нарушения глюконеогенеза.

14. Глюкокортикоиды – регуляторы интенсивности глюконеогенеза.

15. Эффект Пастера - регуляция интенсивности распада глюкозы кислородом.

16. Химизм и биороль апотомического окисления глюкозы.

17. Наследственный дефект глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы.

18. Метаболизм фруктозы и галактозы и его нарушения.

19. Пути обмена лактата в печени и мышцах.

20. Глюкуроновый путь обмена глюкозы.

Обмен углеводов: поступление, переваривание и всасывание. Синтез и распад гликогена

Вопросы раздела

1. Физиологическая роль углеводов в организме у детей и взрослых, их содержание в тканях.

2. Пищевые источники и потребность организма в углеводах у детей и взрослых. Переваривание углеводов в желудочно-кишечном тракте. Судьба всосавшихся моносахаридов. Глюкоза как важнейший метаболит углеводного обмена: общая схема источников и путей использования глюкозы в организме

3. Гипо- и гипергликемия. Гипергликемия у детей (алиментарная, эмоциональная). Патологическая гипергликемия

4. Гликоген как резервный полисахарид. Глюкостатическая функция печени:

а) Синтез гликогена из глюкозы (гликогеногенез);

б) Амилолитический и фосфолитический пути распада гликогена.

5. Глюкоза крови, особенности глюкозы крови у детей в разные возрастные периоды. Регуляция уровня глюкозы крови. Роль адреналина, глюкагона, инсулина, тиреоидных гормонов.

6. Изучение углеводного обмена методом однократной сахарной нагрузки:

А) Нормальная сахарная кривая. Биохимические механизмы, определяющие изменения концентрации глюкозы после сахарной нагрузки.

Б) Изменения сахарной кривой, характерные для заболеваний печени, щитовидной и поджелудочной желез. Коэффициент Рафальского и Бодуэна, их значение в клинической практике.

Методические указания к самоподготовке

Материал, изучаемый на данном практическом занятии чрезвычайно важен и имеет большое значение как для исследователей, так и для практических врачей; его освоение необходимо для понимания последующих тем биохимии, а также других фундаментальных и клинических дисциплин.Знание о структуре и свойствах углеводов необходимы для понимания их функции в организме человека. Кроме основной энергетической функции углеводы участвуют во многих метаболических процессах.Для диагностики целого ряда заболеваний (сахарный диабет, патологические состояния, связанные с недостаточностью функции печени и почек, некоторые эндокринные заболевания, новообразования мозга, поджелудочной железы и надпочечников, гиповитаминоз В₁, а также ряд наследственных ферментопатий) важно иметь объективное представление о состоянии углеводного обмена у больных, одним из показателей которого является уровень глюкозы в крови.

При подготовке к занятию необходимо вспомнить материал, пройденный в курсе биоорганической химии - раздел «Химия углеводов», проработать соответствующий раздел учебника по биологической химии, а также лекционный материал и выполнить следующие задания согласно таблице 12.

Таблица 12. Строение и обмен углеводов

Задание	Указания к выполнению задания
Вспомните структуру основных пищевых углеводов: моносахаридов, дисахаридов и полисахаридов.	Указания к выполнению задания. 1. Напишите структурные циклические формулы: a-D-глюкозы, b-D-глюкозы, D- галактозы и D-фруктозы. 2. Напишите циклические формулы сахарозы, лактозы и мальтозы. Укажите характер и тип гликозидной связи в этих дисахаридах. Лактоза – основной углевод пищи у грудных детей. Каково содержание лактозы в коровьем и женском молоке ? 3. Напишите фрагмент структуры амилозы, амилопектина и гликогена. Укажите типы связей между остатками моносахаридов.
Изучите процессы переваривания и всасывания углеводов	1. Выпишите в таблицу ферменты, расщепляющие углеводы в пищеварительных соках желудочно-кишечного тракта:
	Слюна	Желудочный сок	Панкреати-ческий сок	Кишечный сок
	2. Схематически изобразите расщепление крахмала в желудочно-кишечном тракте до глюкозы с указанием соответствующих ферментов. 3. Напишите реакции гидролиза сахарозы, лактозы и мальтозы. Укажите ферменты, катализирующие эти реакции. 4. Подумайте, какие пищевые углеводы употребляет человек в наибольших количествах. Расставьте их в порядке убывания: 1), 2), 3), 4), 5). 5. Почему клетчатка не расщепляется в пищеварительном тракте? Представьте аргументы в пользу необходимости употребления клетчатки с пищей. 6. Охарактеризуйте причины и проявления нарушений переваривания дисахаридов. 7. Какие моносахариды всасываются с наибольшей скоростью? Почему всасывание моносахаридов в кишечнике может происходить против градиента концентрации? 8. Охарактеризуйте белки-транспортеры глюкозы (ГЛЮТ). 9.Каковы возрастные особенности процессов переваривания и всасывания углеводов?
Изучите основные пути тканевых превращений глюкозы.	1. Напишите реакцию фосфорилирования глюкозы в клетке, укажите ферменты и их особенности. Каково биологическое значение этого процесса. Может ли фосфорилированная глюкоза поступать из клетки кровь? 2. Схематически представьте основные пути превращений глюкозо-6-фосфата в тканях.
Изучите биосинтез гликогена.	1. Выпишите, каково примерное процентное содержание гликогена в различных тканях: печени, мышцах, почках, сердечной мышце и др. 2. Схематически представьте путь биосинтеза гликогена. Укажите при этом соответствующие ферменты. 3. Напишите химизм основных этапов синтеза гликогена. 4. Объясните, почему в клетках как запасный углевод депонируется гликоген, а не свободная глюкоза. 5. Подумайте, почему в организме человека и животных резервным полисахаридом является гликоген, а не крахмал или целлюлоза?
Изучите пути распада гликогена в тканях.	1. Схематически представьте с указанием соответствующих ферментов фосфоролитический путь расщепления гликогена. 2.Схематически представьте амилолитические (гидролитические) пути расщепления гликогена. 3. Охарактеризуйте принципиальное отличие значения мобилизации гликогена в печени и в других тканях. 4. Дайте определение группе заболеваний, получившие название гликогеновые болезни. Впишите в таблицу названия ферментов, дефект которых вызывает определенный тип гликогеноза, и основные проявления гликогенозов: Тип, название болезни Дефектный фермент Проявления болезни
Изучите гормональную регуляцию обмена гликогена в печени.	1. Укажите ключевые ферменты синтеза и распада гликогена. 2. Выпишите основные гормоны: а) стимулирующие синтез гликогена; б) стимулирующие распад гликогена. 3. Схематически представьте каскадный молекулярный механизм мобилизации гликогена под влиянием адреналина и глюкагона. 4. Схематически представьте механизм стимуляции инсулином биосинтеза гликогена (гликогенеза). 5. Как изменяется инсулин-глюкагоновый индекс при переходе из абсорбтивного состояния в постабсобтивное?
Изучите содержание сахара в крови и механизмы поддержания уровня сахара крови.	1. Напишите, что понимают под терминами «сахар крови, гипогликемия, гипергликемия». 2. Выпишите нормальные содержания сахара крови и глюкозы в крови. 3. Напишите основные гормоны, вызывающие гипергликемию и гипогликемию. 4. Охарактеризуйте понятия “почечный порог для глюкозы”, “глюкозурия”. Дайте его количественную характеристику. Напишите, каков почечный порог для глюкозы и при каких состояниях может наблюдаться глюкозурия. 6. Рассмотрите тест с сахарной нагрузкой (толерантность к глюкозе). Впишите возможные варианты сахарных кривых при некоторых патологических состояниях (рис. 11).

Рисунок 11. Сахарные кривые (при сахарной нагрузке) в норме и при некоторых заболеваниях.

Примеры заданий для контроля исходного уровня знаний

Для каждого вопроса выберите правильный ответ.

1.ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ТЕСТА ТОЛЕРАНТНОСТИ К ГЛЮКОЗЕ УРОВЕНЬ СВОБОДНОЙ ГЛЮКОЗЫ В КРОВИ У ЗДОРОВОГО ЧЕЛОВЕКА ДОЛЖЕН СНИЗИТЬСЯ ДО ИСХОДНЫХ ЦИФР НЕ ПОЗЖЕ, ЧЕМ ЧЕРЕЗ

1) 30 минут

2) 60 минут

3) 90 минут

4) 120 минут

5) 150 минут

2. КОНЦЕНТРАЦИОННЫЙ ПОЧЕЧНЫЙ ПОРОГ ДЛЯ ГЛЮКОЗЫ

1) 2,2-4,4 ммоль/л

2) 3,3-5,5 ммоль/л

3) 5,5-6,0 ммоль/л

4) 6,0-8,0 ммоль/л

5) 9,0-10 ммоль/л

3.ФЕРМЕНТ, ФОСФОРИЛИРУЮЩИЙ ГЛИКОГЕНСИНТЕТАЗУ И ПЕРЕВОДЯЩИЙ ПОСЛЕДНЮЮ В НЕ АКТИВНУЮ ФОРМУ

1) протеинкиназа

2) фосфопротеинфосфатаза

3) фосфорилаза а.

4) фосфорилаза b

5) киназа фосфорилазы b

Для каждого вопроса выберите сочетание правильных ответов.

4.ФЕРМЕНТЫ ПИЩЕВАРИТЕЛЬНОГО ТРАКТА, УЧАСТВУЮЩИЕ В ПОЛНОМ РАСПАДЕ ГЛИКОГЕНА И КРАХМАЛА ДО ГЛЮКОЗЫ

1) a-амилаза

2) a-1,6-гликозидаза

3) a-глюкозидаза (мальтаза)

4) b-амилаза

5) b-галактозидаза

5.ПРОДУКТЫ ГИДРОЛИЗА ЛАКТОЗЫ

1) b-D-фруктоза

2) a- D-глюкоза

3) b-D-глюкоза

4) b-D-галактоза

5) a- D-фруктоза

6.ИНСУЛИНЗАВИСИМЫЙ БЕЛОК-ТРАНСПОРТЕР ГЛЮКОЗЫ ГЛЮТ-4 ОБНАРУЖИВАЕТСЯ В КЛЕТКАХ

1) скелетных мышц

2) печени

3) жировой ткани

4) слизистой оболочки кишечника

5) центральной нервной системы

6) сердечной мышцы

7) паренхимы почек

Эталоны ответов на задания для самоконтроля

1.- 4), 2.-5), 3. – 1).

4.-1),2),3); 5.- 2),4); 6.- 1),3).

Примеры ситуационных задач

Задача 1. Фосфорилаза – фермент, лимитирующий скорость гликогенолиза. В печени и мышцах этот фермент кодируется разными генами. Известно 2 типа гликогеноза, характеризующихся дефектом этого фермента различной локализации: тип V (болезнь МакАрдля) – недостаточность фосфорилазы мышц, и тип VI (болезнь Эра (Херса)) – недостаточность фосфорилазы печени. Назовите признаки этих заболеваний. Какое из заболеваний не сопровождается гипогликемией? Какова реакция больных на введение глюкагона? Как изменяется концентрация лактата в крови после физической нагрузки?

Ответ. Для недостаточности фосфорилазы в мышцах (болезни МакАрдля) характерны: быстрая утомляемость, боли в мышцах после физических нагрузок; отсутствие увеличение уровня лактата в крови в ответ на физическую нагрузку (энергетические потребности мышц обеспечиваются окислением жирных кислот); нормальная реакция на введение глюкагона; отсутствие гипогликемии. Недостаточность фосфорилазы в печени (болезнь Эра (Херса)) характеризуется гепатомегалией, обусловленной накоплением в ней гликогена; непостоянной гипогликемией; отсутствием реакции на введение глюкагона и нарастанием содержания лактата в крови после физической нагрузки.

Задача 2.Гинеколог при обследовании больной 49 лет с подозрением на рак шейки матки использовал пробу Шиллера – раствор Люголя, в состав которого входит йод. Проба проводится нанесением раствора Люголя на поверхность эпителия. Нормальные зрелые клетки поверхностного эпителия шейки матки, богатые гликогеном, окрашиваются раствором Люголя в темно-коричневый цвет, а патологически измененные, лишенные гликогена – нет. В норме у женщин в этих клетках содержится много гликогена, а в раковых клетках его количество резко уменьшено. Снижение содержания гликогена в клетках может быть использовано как один из показателей злокачественного перерождения ткани. Результат пробы врача оказался положительным.Объясните наблюдаемые явления.

Для этого:

а) напишите схему, показывающую синтез гликогена в нормальных клетках;

б) сравните выход АТФ при аэробном и анаэробном гликолизе;

в) объясните, почему в опухолевых клетках запасов гликогена практически нет.

ОТВЕТ:

а)

Рисунок 12.Схема синтеза гликогена

Рисунок 13. Гликолиз и окисление пирувата

б) Анаэробный и аэробный гликолиз энергетически неравноценны. При аэробном гликолизе образуется 8 моль АТФ, а суммарный энергетический эффект аэробного распада глюкозы до конечных продуктов теоретически составляет 38 моль АТР. Анаэробный гликолиз менее эффективен: образуется только 2 моль АТР способом субстратного фосфорилирования.

в) Опухолевые клетки быстро пролиферируют, в них идет активный синтез нуклеиновых кислот и других компонентов клеток, что требует большого количества энергии. Однако способ синтеза АТФ в этих клетках неэффективный, т.к. идет анаэробный гликолиз из-за нарушения структур митохондрий и недостаточного снабжения опухолевых клеток кислородом вследствие того, что кровеносные сосуды прорастают в опухолевые клетки медленно, что приводит к гипоксии. Поглощение раковой клеткой большего количества глюкозы (за счет переключения на анаэробный гликолиз) называется «эффект Варбурга».

Таким образом, чтобы покрыть энергетические потребности, раковые клетки потребляют много глюкозы, окисляют ее в основном анаэробным гликолизом и, соответственно, она в этих условиях ее недостаточно для синтеза гликогена.