Одним из наиболее важных влияний инсулина является депонирование в печени всасываемой после приема пищи глюкозы в виде гликогена. В промежутках между приемами пищи, когда нет поступлений питательных веществ и концентрация глюкозы в крови начинает снижаться, параллельно быстро снижается секреция инсулина. Гликоген в печени начинает распадаться до глюкозы, которая высвобождается в кровь и препятствует падению концентрации глюкозы до слишком низкого уровня.
Механизм, с помощью которого инсулин обеспечивает поступление и депонирование глюкозы в печени, включает несколько почти одновременных этапов.
1. Инсулин инактивирует фосфорилазу печени— основной фермент, способствующий распаду гликогена печени до глюкозы. Это предупреждает распад гликогена, который в таком случае запасается в клетках печени.
2. Инсулин обеспечивает усиление поступления глюкозы из крови в клетки печени. Это достигается увеличением активности фермента глюкокиназы, являющейся одним из ферментов, инициирующих фосфорилирование глюкозы после ее диффузии в клетки печени. После фосфорилирования глюкоза временно остается как бы в ловушке в клетке печени, т.к. в такой форме она не может диффундировать обратно через клеточную мембрану.
3. Инсулин также увеличивает активность ферментов, обеспечивающих синтез гликогена, особенно гликогенсинтетазы, ответственной за полимеризацию моносахаридов — единиц, из которых образуется молекула гликогена.
Значение всех этих изменений заключается в увеличении содержания гликогена в печени. В целом содержание гликогена в печени при увеличении его синтеза может составить 5-6% массы печени, что соответствует приблизительно 100 г гликогена, составляющего депо гликогена в печени.
Глюкоза высвобождается из печени в промежутках между приемами пищи. Если уровень глюкозы в крови начинает снижаться до нижнего предела в промежутках между приемами пищи, это приведен к ряду изменений и послужит поводом для высвобождения глюкозы из печени в кровоток.
1. Снижение уровня глюкозы приводит к снижению секреции инсулина поджелудочной железой.
2. Отсутствие инсулина приведет к изменению направления реакций, нацеленных на создание запаса гликогена, главным образом к остановке дальнейшего синтеза гликогена в печени и предупреждению поступления глюкозы в печень из крови.
3. Отсутствие инсулина (параллельно с увеличением глюкагона, что будет рассмотрено далее) активирует фермент фосфорилазу, расщепляющую гликоген до глюкозофосфата.
4. Фермент глюкофосфатаза, ингибируемый инсулином, при отсутствии инсулина активируется и приводит к отщеплению фосфатного радикала от глюкозы, что позволяет свободной глюкозе вернуться в кровь.
Таким образом, печень забирает глюкозу из крови, когда в крови возникает ее избыток в связи с приемом пищи, и возвращает ее в кровь, когда концентрация глюкозы снижается в промежутках между приемами пищи. Обычно около 60% глюкозы пищи запасается таким способом в печени и в последующем возвращается в кровь.
Инсулин обеспечивает превращение избытка глюкозы в жирные кислоты и ингибирует глюконеогенез в печени.
Если поступление глюкозы превышает возможности запасания ее в виде гликогена или возможности ее локальных метаболических превращений в гепатоцитах, инсулин обеспечивает превращение избытка глюкозы в жирные кислоты. Жирные кислоты впоследствии в виде триглицеридов переводятся в липопротеины очень низкой плотности и в таком виде транспортируются кровью в жировую ткань, где депонируются в виде жира.
Инсулин также тормозит глюконеогенез. Это достигается снижением как количества, так и активности ферментов, необходимых для глюконеогенеза. Однако эти эффекты частично вызваны снижением высвобождения аминокислот из мышц и других внепеченочных тканей и вследствие этого — снижением необходимого для глюконеогенеза сырья. Это будет обсуждаться далее в связи с влиянием инсулина на обмен белка.
источник
Гликоген – это запасной углевод животных, состоящий из большого количества остатков глюкозы. Запас гликогена позволяет быстро восполнять недостаток содержания в крови глюкозы, как только её уровень понижается, происходит расщепление гликогена, и в кровь поступает свободная глюкоза. В организме человека глюкоза в основном хранится в виде гликогена. Запасать отдельные молекулы глюкозы клеткам не выгодно, так как это значительно повышало бы осмотическое давление внутри клетки. По своей структуре гликоген напоминает крахмал, то есть полисахарид, который в основном запасают растения. Крахмал тоже состоит из остатков глюкозы, соединённых между собой, однако в молекулах гликогена гораздо больше разветвлений. Качественная реакция на гликоген – реакция с йодом – даёт бурое окрашивание, в отличие от реакции йода с крахмалом, которая позволяет получить фиолетовое окрашивание.
Образование и расщепление гликогена регулируют несколько гормонов, а именно :
1) инсулин
2) глюкагон
3) адреналин
Образование гликогена происходит после того, как концентрация глюкозы в крови повышается: раз глюкозы много, то её необходимо запасти впрок. Поглощение глюкозы клетками в основном регулируется двумя гормонами-антагонистами, то есть гормонами с противоположным действием: инсулином и глюкагоном. Оба гормона выделяются клетками поджелудочной железы.
Обратите внимание: слова «глюкагон» и «гликоген» очень похожи, но глюкагон – это гормон, а гликоген – запасной полисахарид.
Инсулин синтезируется, если глюкозы в крови много. Это обычно бывает после того, как человек поел, в особенности если еда — это богатая углеводами пища (например, если съесть мучное или сладкое). Все углеводы, которые содержатся в пище, расщепляются до моносахаридов, и уже в таком виде через стенку кишечника всасываются в кровь. Соответственно, уровень глюкозы повышается.
Когда рецепторы клеток реагируют на инсулин, клетки поглощают глюкозу из крови, и её уровень вновь снижается. Кстати, именно поэтому диабет – недостаток инсулина – образно называют «голод среди изобилия», ведь в крови после употребления пищи, которая богата углеводами, появляется очень много сахара, но без инсулина клетки не могут его поглотить. Часть глюкозы клетки используют для получения энергии, а оставшуюся превращают в жир. Клетки печени используют поглощённую глюкозу для синтеза гликогена. Если же в крови мало глюкозы, то происходит обратный процесс: поджелудочная железа выделяет гормон глюкагон, и клетки печени начинают расщеплять гликоген, выделяя глюкозу в кровь, или синтезировать глюкозу заново из более простых молекул, таких как молочная кислота.
Адреналин также приводит к распаду гликогена, потому что всё действие этого гормона направлено на то, чтобы мобилизовать организм, подготовить его к реакции по типу «бей или беги». А для этого необходимо, чтобы концентрация глюкозы стала выше. Тогда мышцы смогут использовать её для получения энергии.
Таким образом, поглощение пищи приводит к выделению в кровь гормона инсулина и синтезу гликогена, а голодание – к выделению гормона глюкагона и распаду гликогена. Выделение адреналина, происходящее в стрессовых ситуациях, также приводит к распаду гликогена.
Субстратом для синтеза гликогена, или гликогеногенеза, как его по-другому называют, служит глюкозо-6-фосфат. Это молекула, которая получается из глюкозы после присоединения к шестому атому углерода остатка фосфорной кислоты. Глюкоза, образующая глюкозо-6-фосфат, попадает в печень из крови, а в кровь – из кишечника.
Возможен и другой вариант: глюкоза может быть заново синтезирована из более простых предшественников (молочной кислоты). В таком случае из крови глюкоза попадает, например, в мышцы, где расщепляется до молочной кислоты с выделением энергии, а потом накопленная молочная кислота транспортируется в печень, и клетки печени заново синтезируют из неё глюкозу. Потом эту глюкозу можно превратить в глюкозо-6-фосфот и далее на его основе синтезировать гликоген.
Итак, что же происходит в процессе синтеза гликогена из глюкозы?
1. Глюкоза после присоединения остатка фосфорной кислоты становится глюкозо-6-фосфатом. Это происходит благодаря ферменту гексокиназе. Этот фермент имеет несколько разных форм. Гексокиназа в мышцах немного отличается от гексокиназы в печени. Та форма этого фермента, которая присутствует в печени, хуже связывается с глюкозой, а продукт, образующийся в ходе реакции, не ингибирует протекание реакции. Благодаря этому клетки печени способны поглощать глюкозу только тогда, когда её много, и могу сразу превратить в глюкозо-6-фосфат очень много субстрата, даже если не успевают его переработать.
2. Фермент фосфоглюкомутаза катализирует превращение глюкозо-6-фосфата в его изомер — глюкозо-1-фосфат.
3. Полученный глюкозо-1-фосфат потом соединяется с уридинтрифосфатом, образуя УДФ-глюкозу. Катализирует этот процесс фермент УДФ-глюкозопирофосфорилаза. Эта реакция не может протекать в обратную сторону, то есть является необратимой в тех условиях, которые присутствуют в клетке.
4. Фермент гликогенсинтаза переносит остаток глюкозы на формирующуюся молекулу гликогена.
5. Гликогенразветвляющий фермент добавляет точки ветвления, создавая новые «веточки» на молекуле гликогена. Позже на конец этого ответвления добавляются новые остатки глюкозы с помощью гликогенсинтазы.
Гликоген – это необходимый для жизни запасной полисахарид, и хранится он в виде небольших гранул, находящихся в цитоплазме некоторых клеток.
Гликоген запасают следующие органы :
1. Печень. В печени гликогена довольно много, и это единственный орган, который использует запас гликогена для регуляции концентрации сахара в крови. До 5-6 % может составлять гликоген от массы печени, что примерно соответствует 100-120 граммам.
2. Мышцы. В мышцах запас гликогена меньше в процентном соотношении (до 1 %), однако суммарно по весу может превосходить весь гликоген, запасённый в печени. Мышцы не выделяют ту глюкозу, которая образовалась после распада гликогена, в кровь, они используют её только для своих собственных нужд.
3. Почки. В них обнаружено незначительное количество гликогена. Ещё меньшие количества были найдены в глиальных клетках и в лейкоцитах, то есть белых кровяных клетках.
В процессе жизнедеятельности организма гликоген синтезируется довольно часто, практически каждый раз после еды. Организму нет смысла запасать огромные количества гликогена, ведь основная его функция – это не служить донором питательных веществ как можно дольше, а регулировать количество сахара в крови. Запасов гликогена хватает на срок около 12 часов.
Для сравнения, запасённые жиры :
— во-первых, обычно имеют массу гораздо большую, чем масса запасённого гликогена,
— во-вторых, их может хватить на месяц существования.
К тому же стоит отметить, что организм человека может превращать углеводы в жиры, но не наоборот, то есть запасённый жир превратить в гликоген никак не получится, только напрямую использовать для получения энергии. А вот расщепить гликоген до глюкозы, потом разрушить саму глюкозу и использовать получившийся продукт для синтеза жиров организм человека вполне в состоянии.
источник
ЗАНЯТИЕ 5. ГОРМОНАЛЬНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ УГЛЕВОДНОГО И ЛИПИДНОГО ОБМЕНОВ
1. Гормональная регуляция углеводного обмена.
2. Причины и последствия нарушений гормональной регуляции углеводного обмена.
3. Гормональная регуляция липидного обмена.
4. Причины и последствия нарушений гормональной регуляции липидного обмена.
Гормональная регуляция углеводного обмена.
2. Причины и последствия нарушений гормональной регуляции углеводного обмена.
Обмен углеводов представляет собой систему непрерывных процессов образования, транспорта, поддержания на оптимальном уровне концентрации в крови и распада углеводов. Углеводы человек получает с пищей в виде сахаров (моно-, олиго- и полисахаридов). В процессе переваривания в ЖКТ всех видов углеводов они превращаются в глюкозу, содержание которой в крови – жизненно важная константа. Углеводы служат важнейшим источником энергии (единственным для ЦНС), а также необходимы для пластических функций.
Запасание углеводов в организме происходит в виде гликогена. Образование гликогена из глюкозы начинается с процесса фосфорилирования ее с помощью ферментов глюкокиназы (в печени) и гексокиназы (в других тканях) с образованием глюкозо-6-фосфата (Г-6-Ф). Основная часть глюкозы, пройдя ряд преобразований и включаясь в цикл Кребса, используется для синтеза АТФ в процессе окислительного фосфорилирования.
Количество глюкозы в крови, оттекающей от печени, зависит в основном от двух взаимосвязанных процессов: гликолиза и глюконеогенеза, которые в свою очередь регулируются ключевыми ферментами фосфофруктокиназой и фруктозо-1,6-бисфосфатазой. Активность этих ферментов регулируется гормонами.
Регуляция уровня глюкозы в крови осуществляется с помощью функциональной системы саморегуляции, которая включает в себя множество нервных и гуморальных механизмов. Главным нервным центром регуляции уровня глюкозы в крови является гипоталамо-гипофизарная система, которая реализует свои эфферентные влияния через симпатический и парасимпатический отделы ВНС и через эндокринную систему.
Регуляция концентрации глюкозы в крови происходит двумя путями (рисунок 1):
1) регуляция по принципу отклонения параметра от нормальных значений. Нормальная концентрация глюкозы в крови составляет 3.3 – 5.55 ммоль/л. Регуляция концентрации глюкозы в крови в зависимости от ее концентрации осуществляется двумя гормонами с противоположными эффектами – инсулином и глюкагоном;
2) регуляция по принципу возмущения – эта регуляция не зависит от концентрации глюкозы в крови, а осуществляется в соответствии с необходимостью увеличения уровня глюкозы в крови в различных, как правило, стрессирующих ситуациях. Гормоны, увеличивающие уровень глюкозы в крови, поэтому называются контринсулярными. К ним относятся: глюкагон, адреналин, норадреналин, кортизол, тиреоидные гормоны, соматотропин.
Рисунок 1–Гормональная регуляция уровня глюкозы в крови
Инсулин синтезируется β-клетками поджелудочной железы. Он представляет собой полипептид, состоящий из двух пептидных цепей: α-цепь, состоящая из 21 аминокислотного остатка, соединена дисульфидным мостиком с β-цепью, состоящей из 30 аминокислотных остатков. Инсулины животных разных видов лишь слегка различаются по аминокислотной последовательности и обладают одинаковым биологическим действием.
Основным стимулом выброса инсулина является повышение уровня глюкозы в крови, а также аминокислоты, свободные жирные кислоты, энтерогормоны, действие их усиливают ионы кальция и парасимпатическая нервная система. Главным стимулятором выброса инсулина является глюкоза, поступившая в организм внутривенно или в составе пищи. Гормоны ЖКТ (гастрин, холицистокинин-панкриозимин) усиливают выброс инсулина на глюкозу. Ингибиторами секреции инсулина выступают: соматостатин, простагландины, адреналин, симпатическая нервная система.
Инсулин является единственным физиологическим гормоном, снижающим уровень глюкозы в крови, составляющей в норме 3,3–5,55 ммоль/л. Под влиянием инсулина увеличивается поглощение глюкозы почти всеми клетками тела, и ее концентрация в крови опять снижается.
Биосинтез. Инсулин синтезируется в β-клетках поджелудочной железы в виде препроинсулина, на N-конце которого находится концевая сигнальная последовательность из 23 аминокислот, служащая проводником всей молекулы в полость эндоплазматической сети. Здесь концевая последовательность сразу отщепляется и проинсулин транспортируется в аппарат Гольджи. На данном этапе в молекуле проинсулина присутствуют А-цепь, В-цепь и С-пептид (англ. connecting – связующий). В аппарате Гольджи проинсулин упаковывается в секреторные гранулы вместе с ферментами, необходимыми для «созревания» гормона. По мере перемещения гранул к плазматической мембране образуются дисульфидные мостики, вырезается связующий С-пептид (31 аминокислота) и формируется готовая молекула инсулина. В готовых гранулах инсулин находится в кристаллическом состоянии в виде гексамера, образуемого с участием двух ионов Zn 2+ .
Механизм действия инсулина. Действие инсулина на клетки-мишени начинается после его связывания со специфическими димерными мембранными рецепторами (рисунок 2), при этом внутриклеточный домен рецептора обладает тирозинкиназной активностью. Инсулин-рецепторный комплекс не только передает сигнал внутрь клетки, но и частично путем эндоцитоза поступит внутрь клетки к лизосомам. Под влиянием лизосомальной протеазы инсулин отщепляется от рецептора, при этом последний либо разрушается, либо возвращается к мембране и вновь встраивается в нее. Многократное перемещение рецептора от мембраны к лизосомам и обратно к мембране носит название рециклизация рецептора. Процесс рециклизации важен для регуляции количества инсулиновых рецепторов, в частности обеспечения обратной зависимости между концентрацией инсулина и количеством мембранных рецепторов к нему. Образование инсулин-рецепторного комплекса активирует тирозинкиназу, запускающую процессы фосфорилирования внутриклеточных белков. Происходящее при этом аутофосфорилирование рецептора ведет к усилению первичного сигнала. Инсулин-рецепторный комплекс вызывает активирование фосфолипазы С, образование вторичных посредников инозитолтрифосфата и диацилглицерола, активацию протеинкиназы С, ингибирование цАМФ. Участие нескольких систем вторичных посредников объясняет многообразие и различия эффектов инсулина в разных тканях.
Рисунок 2 — Механизм действия инсулина на клетку-мишень
Все эффекты инсулина по скорости их реализации подразделяют на 4 группы:
1. очень быстрые (через несколько секунд) — гиперполяризация мембран клеток (за исключением гепатоцитов), повышение проницаемости для глюкозы, активация Na/K-АТФазы, входа К + и удаление Na + , подавление Са 2+ -насоса и задержка Са 2+ ;
2. быстрые эффекты (в течение нескольких минут) — активация и торможение различных ферментов, усиливающих анаболические процессы;
3. медленные процессы (в течение нескольких часов) — повышенное поглощение амиминокислот, изменение синтеза РНК и белков-ферментов;
4. очень медленные эффекты (от часов до суток) — активация митогенеза и размножения клеток.
Влияние инсулина на обмен углеводов:
– активирует гликогенсинтетазу, стимулируя тем самым синтез гликогена из глюкозы, т.е. интенсифицирует гликогенез;
– активирует гексо- и глюкокиназу, запуская таким образом процесс фосфорилирования глюкозы — ключевую биохимическую реакцию, стоящую в начале пути как анаэробного, так и аэробного расщепления углеводов;
– активирует фосфофруктокиназу, обеспечивая фосфорилирование фруктозо-6-фосфата, что играет важную роль как в процессах гликолиза, так и глюконеогенеза;
– ингибирует фосфоэнолпируваткарбоксикиназу, т.е. тем самым тормозит ключевую реакцию глюконеогенеза — превращение пирувата в фосфоэнолпируват;
– активирует синтез уксусной кислоты из лимонной в цикле Кребса;
– является необходимым для транспорта глюкозы через клеточную мембрану, в особенности в мышцах и жировой ткани.
Действие инсулина на обмен глюкозы в печени.
Печень — это один из наиболее важных органов тела, запасающих глюкозу. Глюкоза может свободно диффундировать в клетки печени и выходить из них, когда ее содержание в крови снижается. В клетках печени глюкоза под влиянием инсулина превращается в гликоген, и ее содержание в крови снижается.
Биохимические эффекты действия инсулина:
ü активация фермента глюкокиназы, катализирующей фосфорилирование глюкозы, которая поступает в клетки печени;
ü активация фосфофруктокиназы и гликогенсинтетазы, катализирующих полимеризацию фосфорилированной глюкозы с образованием гликогена;
ü ингибирование ферментов, расщепляющих гликоген (фосфорилазы), благодаря чему высокий уровень инсулина способствует консервации гликогена.
За счет быстрого синтеза гликогена и подавления гликогенолиза концентрация глюкозы в крови, повышающаяся после приема пищи, быстро возвращается к нормальному уровню. В результате удаляется основной стимул секреции инсулина, и содержание последнего в крови также нормализуется. Когда организму требуется энергия в промежутках между приемами пища, гликоген опять превращается в глюкозу. Концентрация инсулина в крови в этот период очень мала. Образующаяся при этом глюкоза может свободно выходить из клетки путем диффузии. Таким образом, поддерживается постоянный уровень глюкозы в крови между приемами пищи. При нормальном питании около 60% глюкозы, потребляемой человеком с пищей, временно запасается в печени, с тем, чтобы быстро высвобождаться за счет расщепления гликогена.
Действие инсулина на обмен глюкозы в мышечных клетках.
При низком содержании инсулина в крови мышечные клетки в норме непроницаемы для глюкозы и всю необходимую энергию получают за счет окисления жирных кислот.
Увеличение концентрации инсулина, вызванное повышением уровня глюкозы в крови после приема пищи, делает мышечные клетки проницаемы для глюкозы, которая используется затем в качестве источника энергии. Однако при очень высокой мышечной активности мембраны клеток становятся проницаемы для глюкозы и в отсутствие инсулина. В этом случае потребность работающей мышцы в глюкозе как энергетическом субстрате удовлетворяется даже при базальном уровне инсулина. Когда мышца находится в неактивном состоянии, в ней сразу после приема пищи, т.е. при высоких концентрациях инсулина и глюкозы, тоже образуется и сохраняется небольшое количество гликогена. При острой необходимости этот гликоген опять превращается в глюкозу, которая используется мышечными клетками. Как правило, глюкоза не выделяется обратно в кровь и не играет никакой роли в регуляции уровня сахара в крови после приема пищи. Связываясь с рецептором на поверхности мышечных клеток, инсулин активирует механизм транспорта глюкозы через мембрану.
Обмен глюкозы в нервных клетках. Клетки ЦНС свою довольно высокую потребность в энергии почти целиком покрывают за счет глюкозы, причем ее потребление не зависит от инсулина. Он не влияет на проницаемость мембран для глюкозы и не активирует ферментные системы этих клеток. Тот факт, что ЦНС получает необходимую ей энергию только за счет окисления глюкозы, позволяет понять, почему снижении концентрации последней в крови ниже критического уровня может привести к гипогликемическому шоку с помутнением сознания или даже комой.
Большинство других клеток тела отвечает на инсулин подобно мышечным клеткам.
Поступление глюкозы в клетки из кровотока происходит путем облегченной диффузии при участии специальных белков-переносчиков — ГЛЮТ (глюкозные транспортеры). ГЛЮТ обнаружены во всех тканях. Существует несколько изоформ ГЛЮТ, которые различаются по локализации и сродству к глюкозе. ГЛЮТ пронумерованы в порядке их обнаружения.
Дата добавления: 2018-04-15 ; просмотров: 420 ; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ
источник
Углеводный обмен Углеводы входят в состав многих продуктов питания, что позволяет покрывать потребность организма человека в энергии примерно на 60%. Попадая в пищеварительный тракт, сложные углеводы (в основном это полисахариды, например, крахмал) под действием ферментов перевариваются (расщепляются) до простых углеводов (олиго- или моносахаридов) и, всасываясь через слизистую оболочку желудочно-кишечного тракта, попадают в кровь.
К моносахаридам относится глюкоза, фруктоза, галактоза и другие формы. Однако в организме человека среди абсорбированных моносахаридов преобладает глюкоза, доля которой составляет до 80%. То есть, большинство углеводов, которые поступают в организм с пищей, метаболизируются до глюкозы.
В случае возникновения дефицита глюкозы в организме (при ее ограниченном поступлении, например, при голодании или низкоуглеводной диете), некоторые клетки могут превращать неуглеводные продукты (белки и жиры) в глюкозу. Этот процесс называется глюконеогенез. В нем, как правило, участвуют клетки печени, почек и некоторые клетки кишечника (доля этих клеток в кишечнике составляет примерно 1-3%).
Глюкоза выполняет роль источника энергии и участвует в обменном процессе на клеточном уровне (то есть, внутри клеток). Клетки аэробного организма способны создавать энергетический запас путем метаболического окисления глюкозы, когда глюкоза вступает в химическую реакцию с кислородом. В результате этой реакции в клетке образуется вода и углекислый газ (диоксид углерода). То есть, аккумулируема в молекуле глюкозы энергия расходуется с целью образования энергоемкого (макроэргического) соединения – из молекулы АДФ (адезиндифосфата) в молекулу АТФ (адезинтрифосфата). В молекуле АТФ содержится энергия необходимая для большого количества внутриклеточных биохимических реакций (см рис 1).
Рисунок 1. Глюкоза является ключевым элементом в клеточном метаболизме (обмене веществ), обеспечивая энергией большое количество химических реакций, благодаря которым клетка выполняет свои функции
Запас энергии путем создания макроэргических связей молекулы АТФ проходит в клетках при участии глюкозы двумя метаболическими путями (см рис 2):
— гликолиз (путь Эмбдена-Мейергофа) с образованием 2-х молекул АТФ и 2-х молекул лактата; в этом случае катаболизм глюкозы проходит без кислорода;
— цикл Кребса в совокупности с дыхательным путем дает возможность получить 38 молекул АТФ с конечными метаболитами в виде воды (H2O) и углекислого газа (CO2); катаболизм глюкозы проходит с участием кислорода.
Рисунок 2. Упрощенная схема процесса окисления глюкозы в клетке
Процесс образования энергии начинается с гликолиза, когда глюкоза проходит десять последовательных ферментативных реакций, что приводит к образованию пирувата (пировиноградной кислоты). Дальнейшая реакция пировиноградной кислоты зависит непосредственно от доступности кислорода в клетке. При условии нормального уровня содержания кислорода, в митохондриях клетки пировиноградная кислота превращается в ацетил-кофермент А (ацетиломКоА), который вступает в цикл Кребса и конденсируется с оксалоацетатом (щавеливоуксусной кислотой), в результате чего образуется лимонная кислота. Последующие девять ферментативных реакций сопровождаются превращением молекулы лимонной кислоты обратно в молекулу щавеливоуксусной кислоты, которая способна опять конденсироваться с ацетил-коферментом А, поставляемого в процессе катаболического преобразования глюкозы.
При участии в катаболизме одной молекулы глюкозы при наличии кислорода образуется 8 молекул АТФ и 2 молекулы пировиноградной кислоты. Дальнейшее преобразование двух молекул пировиноградной кислоты в пируватдегидрогеназном комплексе и цикле Кребса, а потом при работе дыхательной цепи образуется еще 30 молекул АТФ. В результате, при окислении одной молекулы глюкозы с образованием воды и углекислого газа, образуется 38 молекул АТФ с макроэргическими связями.
В случае дефицита кислорода процесс окисления глюкозы происходит путем гликолиза. При этом в митохондрии, содержащих ферменты цикла Кребса и пируватдегидрогеназного комплекса, не поступает пировиноградная кислота. В цитоплазме пируват (пировиноградная кислота) преобразуется в лактат (молочную кислоты).
Отметим, что лактоацидоз – накопление в крови большого количества молочной кислоты – сопровождает многие заболевания, вызванные нарушением кровоснабжения тканей (что, собственно, приводит к гипоксии тканей). Лактоацидоз является прямым следствием гликолиза в тканях с недостаточным обеспечением кислорода (окигенацией), то есть анаэробного гликолиза.
Нервные клетки, в том числе и клетки головного мозга, не способны создавать и накапливать глюкозу, в отличие от других клеток человеческого организма. Поэтому обеспечение энергетических потребностей нервной системы полностью зависит от поступления глюкозы из крови. Для обеспечения полноценного функционирования нервных клеток минимальный уровень глюкозы в крови должен быть примерно 4,0 ммоль/л. Также уровень глюкозы в крови не должен быть очень высоким.
Глюкоза является осмотически-активным веществом, то есть при увеличении ее уровня концентрации в крови, в соответствии с законами осмотического давления, жидкость из тканей поступает в кровь. В результате обезвоживания тканей наступает относительная дегидратация – потенциально опасный для здоровья человека эффект. Если уровень глюкозы в крови превышает определенное значения (10,0-11,0 ммоль/л), наступает почечный порог – состояние, при котором почки начинают выводить из организма глюкозу с мочой, чтобы компенсировать эффект дегидратации. В этом случае организм теряет свой важный источник энергии – глюкозу.
То есть, в нормальном состоянии уровень глюкозы в крови не должен превышать пороговое значение, в противном случае организм начнет терять один из основных источников энергии, при этом концентрация сахара не должна сильно снижаться, чтобы сохранить полноценное обеспечение энергией нервной системы.
В организме человека глюкоза может накапливаться. Несмотря на то, что в глюкозе, как источнике энергии, нуждаются все клетки организма, разница в ее потребности у разных клеток довольно существенная. Кроме этого, в зависимости от времени суток, потребность в глюкозе клеток одного типа также меняется. Например, потребность миоцитов (клеток мускулатуры) достигает своего максимума при выполнении физической нагрузки и минимума – во время отдыха и сна.
Потребность клеток в глюкозе не всегда совпадает по времени с приемом пищи. Поэтому организм делает депонирует (запасает) глюкозу, которая поступает в организм с пищей, чтобы в дальнейшем, по мере необходимости клеток в энергии, использовать ее. В организме человека есть много видов клеток, способных накапливать глюкозу в ограниченных количествах, основными из которых являются:
- Гепатоциты – клетки печени
- Миоциты – мышечные клетки
- Адипоциты – жировые клетки
Когда потребность организма в глюкозе низкая, а уровень в крови высокий (например, после приема пищи), эти клетки ее отбирают из крови и сохраняют. И наоборот, когда повышается потребность организма в глюкозе, а ее уровень в крови низкий (например, между приемами пищи, во время интенсивной физической нагрузки и т.д.), клетки высвобождают накопленную глюкозу, тем самым компенсируя дефицит.
Мышечные клетки и гепатоциты накапливают глюкозу в виде гликогена, который является высокомолекулярным полимером глюкозы. Гликоген синтезируется из глюкозы путем ферментативного процесса – гликогенеза. Обратный процесс, при котором глюкоза покидает депо, называется гликогенолиз. Процесс гликогенолиза начинается в ответ на снижение уровня глюкозы в крови. Также глюкоза может накапливаться в адипоцитах (жировых клетках) путем липогенеза. При липогенезе глюкоза преобразуется в глицерин, который входит в состав триглицеридов – запасную форму жиров. Чтобы обеспечить клетки энергией, в процессе липолиза триглицериды мобилизуются, покрывая недостаток потребностей организма. Отметим, что процесс липолиза начинается только в том случае, когда в организме исчерпаны запасы гликогена. То есть, жиры обеспечивают долгосрочное депонирование глюкозы, а гликоген – краткосрочное.
Несмотря на то, что на протяжение дня поступление глюкозы в организм и ее расход могут значительно колебаться, концентрация сахара в крови не опускается ниже 3,4 ммоль/л и не увеличивается выше 8,0 ммоль/л. Типичные суточные колебания уровня сахара крови продемонстрированы на рисунке 3.
Рисунок 3. Изменение уровня глюкозы в крови у здорового человека в течение суток
После приема пищи уровень сахара в крови повышается. Попадая в организм с продуктами питания, сахар проникает через стенки кишечника в кровь, откуда поступает в клетки для обеспечения энергетических потребностей. Мышечные клетки и гепатоциты депонируют неиспользованную глюкозу в виде гликогена. В промежутке между приемами пищи уровень сахара в крови снижается, поэтому, для подержания необходимого уровня в крови, глюкоза мобилизуется из депо. При необходимости организм может получать глюкозу путем глюконеогенеза из неуглеводных источников, например, белков.
Все метаболические преобразования глюкозы (гликогенолиз, гликогенез, липолиз и т.д.), а также процесс депонирования в клетках, регулируется эндокринной системой – контролируется гормонами, выделение (секреция) которых зависит от уровня глюкозы в крови.
Самую важную роль в регуляции уровня сахара в крови играют инсулин и глюкагон – гормоны поджелудочной железы.
Инсулин обеспечивает метаболические процессы, благодаря которым уровень глюкозы в крови снижается за счет следующих механизмов:
— с помощью инсулина происходит захват клетками организма глюкозы из крови; при этом от инсулина не зависит захват глюкозы нервными клетками и гепатоцитами;
— инсулин стимулирует гликолиз – процесс внутриклеточного обмена, при котором глюкоза метаболизируется до пировиноградная кислота;
— активирует гликогенез – процесс преобразования миоцитами и гепатоцитами глюкозы в гликоген;
— стимуляция липогенеза – процесс преобразования жировыми клетками глюкозы в триглицериды;
— торможение (ингибирование) глюконеогенеза – процесса синтеза (образования) глюкозы из неуглеводных продуктов (например, протеинов).
В ответ на повышение уровня глюкозы в крови, β-клетки поджелудочной железы продуцируют инсулин. Действие инсулина происходит посредством связей с инсулиновыми рецепторами, находящихся на поверхности инсулиночувствительных клеток. То есть, при повышении концентрации сахара в крови, нормальный гормональный ответ зависит от следующих факторов:
— полноценной функции β-клеток поджелудочной железы, что позволяет продуцировать необходимое количество инсулина;
— функциональной активности и количества инсулиновых рецепторов инсулиночувствительных клеток.
В случае нарушения хотя-бы любого (или обоих) из этих условий, уровень сахара в крови будет высоким.
Глюкагон – гормон, который продуцируется α-клетками поджелудочной железы в ответ на снижение уровня сахара в крови. Является антагонистом инсулина. То есть, эффектом действия глюкагоны является повышение уровня глюкозы в крови, в отличие от эффекта действия инсулина. В случае снижения концентрации сахара в крови, действие глюкагона зависит от следующих факторов:
— повышение интенсивности гликогенолиза – процесса распада гликогена в гепатоцитах;
— увеличение глюконеогенеза – процесса внутриклеточного синтеза глюкозы из неуглеводных продуктов.
На рисунке 3 видно, что уровень сахара в крови повышается после приема пищи в результате усвоения организмом углеводов из потребленных продуктов. В результате, повышение концентрации сахара крови вызывает стимуляцию секреции инсулина β-клетками. Попадая в кровь, инсулин вступает в разные процессы, способствующие снижению концентрации глюкозы в крови. Таким образом начинается индукция секреции глюкагона, что помогает снизить уровень глюкозы. Благодаря непрерывной синергии этих противоположных механизмов, в крови поддерживается оптимальный уровень сахара.
При низком уровне сахара в крови, или при стрессе, в организме сильно повышается секреция трех гормонов:
— соматотропин – гормон роста, синтезируется в передней доле гипофиза;
— адреналин (эпинефрин) – гормон-нейромедиатор, вырабатывается мозговым веществом надпочечников;
— кортизол – глюкокортикоидный гормон, синтезируется в коре надпочечников.
Эти три гормона также способствуют повышению уровня сахара в крови.
То есть, предотвратить чрезмерное понижения уровня глюкозы в крови (гипогликемию), способны четыре гормона: глюкагон, соматотропин, адреналин и кортизол – они способствуют увеличению ее концентрации. А чрезмерное повышение уровня глюкозы в крови способен предотвратить только один гормон – инсулин.
Учитывая вышеизложенные факты, становится очевидной значимость поддержания минимальной концентрации сахара в крови с целью обеспечения нормального функционирования центральной нервной системы. Ниже приведена таблица, в которой кратко резюмирована роль основных гормонов, которые принимают непосредственное участие в регуляции углеводного обмена в организме человека.