Химия и обмен углеводов

height="2" align="BOTTOM" border="0" />

Если превращение фосфоенолпирувата в ПВК, которое катализирует пируваткиназа, представляет одну химическую реакцию, то обратное превращение ПВК в фосфоенолпируват требует нескольких реакций. Первая реакция – это карбоксилирование пирувата. Реакция катализируется пируваткарбоксилазой и протекает с участием карбоксибиотина – активной форы СО2 в клетке. Продукт карбоксилирования – оксалоацетат занимает особое место в метаболизме митохондрий, где протекает данная реакция. Это важнейший субстрат цикла Кребса (см. ниже) и его выход из митохондрий затруднен. Для преодоления мембраны митохондрий оксалоацетат восстанавливается при помощи митохондриальной малатдегидрогеназы в легко приникающую через мебрану яблочную кислоту. Последняя, покинув митохондрии, в цитозоле окисляется вновь в оксалоацетат уже под влиянием цитозольной малатдегидрогеназы. Дальнейшее превращение оксалоацетата в ФЕПВК происходит в цитозоле клетки. Здесь при помощи фосфоенолпируваткарбоксикиназы окалоацетат декарбоксилируется с затратой энергии, высвобождаемой при гидролизе ГТФ и образуется ФЕПВК.

После образования ФЕПВК последующие реакции представляют обратимые реакции гликолиза. Из каждых двух образующихся 3-ФГА одна молекула при участии фосфотриозоизомеразы превращается в ФДА и обе триозы под влиянием альдолазы конденсируются в фруктозо-1,6-дифосфат. Некоторое количество ФДА образуется путем окисления глицеролфосфата, возникающего под влиянием глицеролкиназы из глицерола, поступающего в печень из жировой ткани. Это единственный субстрат из липидов, который участвует в глюконеогенезе. Превращение фруктозо-1,6-дифосфата во фруктозо-6-фосфат катализируется фруктозо-1,6-дифосфатазой-1. Затем вновь следует реакция, обратная гликолизу. Заключительная реакция глюконеогенеза катализируется ферментом глюкозо-6-фосфатазой, который катализирует гидролиз глюкозо-6-фосфата и образующаяся свободная глюкоза может выходить из клетки.

Суммарная реакция синтеза молекулы глюкозы:

2 ПВК + 4 АТФ + 2 ГТФ + 2НАДН + 2H+ + 6H2O → Глюкоза + 2НАД+ + 4АДФ+ 2 ГДФ + 6 Фн +6H+

Таким образом, синтез одной молекулы глюкозы “обходится” клетке затратой шести макроэргов. 2 молекулы АТФ расходуются для активирования СО2, 2 молекулы ГТФ используются в фосфоенолпируваткарбоксикиназной реакции и 2 молекулы АТФ – для образования 1,3-дифосфоглицериновой кислоты.

Глюконеогенез активируется в клетках печени во время голодания, после продолжительных физических упражнений, при употреблении пищи, богатой белками при низком содержании в ней углеводов и т.д.

Интенсивность процесса зависит от количества субстратов, и активности, и количества ключевых ферментов гликолиза и глюконеогенеза.

Основными поставщиками субстратов для печени являются мышцы, эритроциты, жировая ткань. У последней довольно ограниченные возможности, поскольку только глицерол может использоваться для синтеза глюкозы, а это только около 6% от веса капельки жира.

Лактат, образующийся в результате работы мышц в анаэробных условиях или поступающий из эритроцитов, более значимый источник глюкозы. Наиболее важными источниками являются гликогенные аминокислоты, которые могут поступать с пищей, богатой белками или из мышц в условиях голодания.

Чтобы непрерывно снабжать глюкозой клетки, для которых она является основным источником энергии, но они не могут окислить ее полностью в силу отсутствия митохондрий (эритроциты) или из-за работы в анаэробных условиях, между печенью и этими клетками устанавливаются циклические процессы по обмену субстратами. Один из таких – цикл Кори: образующаяся в мышцах (эритроцитах) молочная кислота поступает в общий кровоток, захватывается печенью и используется ею в качестве субстрата глюконеогенеза; синтезируемая при этом глюкоза отдается в кровототок и метаболизируется мышцами или эритроцитами для получения энергии.

В отличие от цикла Кори, аланиновый цикл протекает при условии потребления периферическими тканями кислорода и требует митохондрий. При употреблении пищи богатой белами или при голодании происходит довольно активный обмен между печенью и мышцами аланином и глюкозой. Аланин из мышц передается клеткам печени, где он переаминируется и ПВК используется для синтеза глюкозы. По мере необходимости глюкоза поступает в мышцы и окисляется до ПВК, а затем, путем переаминирования, превращается в аланин который может вновь повторить этот цикл. Энергетически это более выгодный путь, чем цикл Кори.

NB! Гликолиз и глюконеогенез – взаимосвязанные процессы

Условия, благоприятствующие глюконеогенезу, сопровождаются рядом изменений, оказывающих регулирующее влияние на ключевые ферменты гликолиза и глюконеогенеза. Эти изменения выражаются в следующем:

увеличивается секреция глюкагона и снижается секреция инсулина поджелудочной железой, что способствует повышению содержания цАМФ в гепатоцитах;

увеличивается секреция глюкокортикоидов и адреналина надпочечниками;

усиливается мобилизация липидов из жировых депо, что способствует повышению уровня ацетил-КоА в клетках печени (усиливаются процессы b-окисления жирных кислот);

повышается выход аминокислот из мышечной ткани (аланин и другие гликогенные аминокислоты).

Перечисленные изменения могут оказывать влияние на активность ферментов глюконеогенеза и гликолиза, а также менять их количество в клетках печени.

В начале параграфа уже было показано, что активность одного из ферментов гликолиза (пируваткиназы) ингибируется в условиях, благоприятствующих глюконеогенезу. Второй фермент, активно использующий ПВК в аэробных условиях – пируватдегидрогеназа, также ингибируется. Этому способствует повышение уровня ацетил-КоА – аллостерического ингибитора пируватдегидрогеназы и ее фосфорилирование протеинкиназаой А, которая активируется условиях благоприятстующих глюконеогенезу(повышение уровня цАМФ). Напротив, ацетил-КоА является аллостерическим активатором пируваткарбоксилазы, и повышение количества ПВК в еще большей степени способствует усилению работы этого фермента – одного из ключевых ферментов глюконеогенеза.

Пируваткарбоксилаза катализирует образование оксалоацетата, который затем декарбоксилируется и фосфорилируется под действием фосфоенолпируваткарбоксикиназы с образованием фосфоенолпирувата. Повышение уровня цАМФ в гепатоцитах вызывает путем активирования факторов транскрипции протеинкиназами усиление синтеза фосфоенолпируваткарбоксикиназы. Неактивное состояние пируваткиназы (см.выше) – условие предупреждения возможного холостого субстратного цикла на этом этапе глюконеогенеза.

Второй субстратный цикл на пути глюконеогенеза может возникнуть на этапе превращения фруктозо-1,6-дифосфата во фруктозо-6-фосфат. Благодаря особой роли фруктозо-2,6-дифосфата этого удается избежать. Фруктозо-2,6-дифосфат – аллостерический активатор фосфофруктокиназы -1 –ключевого фермента гликолиза, синтезируется бифункциональным ферментом - фосфофруктокиназой-2 (ФФК-2). Один домен этого фермента проявляет 2-киназную активность, а другой – 2-фосфатазную. Протеинкиназа А, фосфорилируя ФФК-2, активирует ее фосфатазную активность, что ведет к распаду фруктозо-2,6-дифосфата с образованием фруктозо-6-фосфата. Снижение фруктозо-2,6-дифосфата вызывает торможение гликолитического направления в использовании фруктозо-1,6-дифосфата и усиливает глюконеогенез. Фруктозо-1,6-дифосфатаза относится к индуцируемым ферментам и при повышении цАМФ происходит усиление транскрипции ее генов.

Активности гексокиназы и глюкозо-6-фосфатазы регулируются уровнем глюкозо-6-фосфата: гексокиназа им ингибируется, а фермент глюконеогенеза (т.е.глюкозо-6-фосфатаза) активируется.

NB! В аэробных условиях ПВК окончательно окисляется

Цепь реакций аэробного распада глюкозы можно разделить на три основных этапа.

Дихотомический распад глюкозы до стадии ПВК, полностью совпадающий с реакциями гликолиза.

Окислительное декарбоксилирование ПВК, завершающееся образованием ацетил-КоА.

Цикл Кребса, в котором ацетил-КоА расходуется на образование СО2 и субстратов тканевого дыхания, используемых дыхательной цепью митохондрий.

Подчеркнем, что, в отличие от первого этапа, остальные два требуют аэробных условий и протекают в митохондриях.

Окислительное декарбоксилирование пирувата

Пируват, образовавшийся в реакциях гликолиза (в цитоплазме), должен быть транспортирован в митохондрии. Транспорт осуществляется специальной «челночной» системой. В матриксе митохондрии, прикрепившись к ее внутренней мембране, находится сложный полиферментный комплекс – пируватдегидрогеназа.

Пируватдегидрогеназа состоит из 60 полипептидных цепей, которые можно разделить на 3 основных фермента: Е1 – собственно пируватдегидрогеназа (состоит из 24 субъединиц); Е2 – дигидролипоилтрансацетилаза (также 24 субъединицы); Е3 – дигидролипоилдегидрогеназа (12 субъединиц).

Е1 катализирует декарбоксилирование ПВК с участием кофермента тиаминпирофосфата (ТПФ). Образовавшийся продукт реакции (гидроксиэтильное производное ТПФ) при участии Е2 реагирует с окисленной липоевой кислотой(ЛК). Липоевая кислота – низкомолекулярное азотсодержащее соединение – является коферментом Е2.

CH2

СН2 СН – (СН2)4 – СООН

S – S

Липоевая кислота.

Дисульфидная группа ЛК способна восстанавливаться и ацетилироваться. В реакции, катализируемой дигидролипоилтрансацетилазой (Е2 ), образуется ацетиллипоевая кислота. Далее это соединение реагирует с коэнзимом А (КоА-SH не является собственным коферментом Е2) – при этом образуется восстановленная форма ЛК (дигидролипоевая кислота) и ацетил-КоА.

Наконец, начинает функционировать Е3 , коферментом которого является ФАД: кофермент окисляет дигидролипоевую кислоту и сам при этом восстанавливается (ФАДН2) . Восстановленный флавиновый кофермент реагирует с митохондриальным НАД+, в свою очередь, восстанавливая его (НАДН ·Н+).

Таким образом, в окислительном декарбоксилировании ПВК участвует фактически три фермента, составляющих единый пируватдегидрогеназный комплекс, и 5 коферментов: ТПФ, ЛК и ФАД – собственные коферменты комплекса, КоА-SH и НАД+ – внешние, приходящие “извне”. Образующийся ацетил-КоА затем окисляется в цикле Кребса, а водород с НАДН ·Н+ поступает в дыхательную цепь митохондрий.

Пируватдегидрогеназа отличается большим отрицательным редокс-потенциалом, который способен обеспечить не только восстановление НАД+, но и способствовать образованию высокоэнергетической тиоэфирной связи в ацетил-КоА (СН3-СО~ SкоА).

При недостаточном содержании в диете входящих в состав пируватдегидрогеназы витаминов, в первую очередь тиамина, активность фермента снижается. Это приводит к накоплению в крови и тканях пирувата и лактата и развитию метаболического ацидоза. При выраженном дефиците тиамина развивается некомпенсированный ацидоз, который без лечения приводит к летальному исходу.

Регуляция активности пируватдегидрогеназы

Пируватдегидрогеназный комплекс может существовать в активной и неактивной формах. Переход одной формы в другую осуществляется путем обратимого фосфорилирования с участием киназы и дефосфорилирования с участием фосфатазы. При этом фосфорилированная форма является неактивной, а дефосфорилированная – активной .

При низкой концентрации инсулина и высоком уровне энергообеспеченности клетки (↑АТФ, ↑ ацетил-КоА и ↑ НАДН·Н+) этот комплекс находится в неактивном состоянии. Активирование пируватдегидрогеназного комплекса индуцируется инсулином, КоА-SН, пируватом, АДФ и ионами магния.

Цикл Кребса – центральный путь обмена веществ

Этот метаболический путь назван именем открывшего его автора – Г.Кребса, получившего (совместно с Ф. Липманом) за данное открытие в 1953 г. Нобелевскую премию. В цикле лимонной кислоты улавливается большая часть свободной энергии, образующейся при распаде белков, жиров и углеводов пищи. Цикл Кребса – центральный путь обмена веществ.

NB! Функции цикла трикарбоновых кислот многообразны

Интегративная – цикл Кребса является центральным метаболическим путем, объединяющим процессы распада и синтеза важнейших компонентов клетки.

Анаболическая – субстраты цикла используются для синтеза многих других соединений: оксалацетат используется для синтеза глюкозы (глюконеогенез) и синтеза аспарагиновой кислоты, ацетил-КоА – для синтеза гема, α-кетоглутарат – для синтеза глютаминовой кислоты, ацетил-КоА – для синтеза жирных кислот, холестерола, стероидных гормонов, ацетоновых тел и др.

Катаболическая – в этом цикле завершают свой путь продукты распада глюкозы, жирных кислот, кетогенных аминокислот – все они превращаются в ацетил-КоА; глутаминовая кислота – в α-кетоглутаровую; аспарагиновая – в оксалоацетат и пр.

Собственно энергетическая – одна из реакций цикла (распад сукцинил-КоА) является реакцией субстратного фосфорилирования. В ходе этой реакции образуется одна молекула ГТФ (реакция перефосфорилирования приводит к образованию АТФ).

Водороддонорная – при участии трех НАД+-зависимых дегидрогеназ ( дегидрогеназ изоцитрата, α-кетоглутарата и малата) и ФАД-зависимой сукцинатдегидрогеназы образуются 3 НАДН∙Н+ и 1 ФАДН2. Эти восстановленные коферменты являются донорами водорода для дыхательной цепи митохондрий, энергия переноса водородов используется для синтеза АТФ.

Анаплеротическая – восполняющая. Значительные количества субстратов цикла Кребса используются для синтеза разных соединений и покидают цикл. Одной из реакций, восполняющих эти потери, является реакция, катализируемая пируваткарбоксилазой.

NB! Скорость реакция цикла Кребса определяется энергетическими потребностями клетки

Скорость реакций цикла Кребса коррелирует с интенсивностью процесса тканевого дыхания и связанного с ним окислительного фосфорилирования – дыхательный контроль. Все метаболиты, отражающие достаточное обеспечение клетки энергией являются ингибиторами цикла Кребса. Увеличение соотношения АТФ/АДФ –показатель достаточного энергообеспечении клетки и снижает активность цикла. Увеличение соотношения НАД+/ НАДН, ФАД/ ФАДН2 указывает на энергодефицит и является сигналом ускорения процессов окисления в цикле Кребса. Основное действие регуляторов направлено на активность трех ключевых ферментов: цитратсинтазы, изоцитратдегидрогеназы и a-кетоглутаратдегидрогеназы. Аллостерическими ингибиторами цитратсинтазы являются АТФ, жирные кислоты. В некоторых клетках роль ее ингибиторов играют цитрат и НАДН. Изоцитратдегидрогеназа аллостерически активируется АДФ и ингибируется при повышении уровня НАДН+Н+.

Последний является ингибитором и a-кетоглутаратдегидрогена, активность которой снижается также при повышении уровня сукцинил-КоА.

Активность цикла Кребса во многом зависит от обеспеченности субстратами. Постоянная “утечка” субстратов из цикла (например, при аммиачном отравлении) может вызывать значительные нарушения энергообеспеченности клеток.

NB! Пентозофосфатный путь окисления глюкозы обслуживает восстановительные синтезы в клетке.

Как видно из названия, в этом пути образуются столь необходимые клетке пентозофосфаты. Поскольку образование пентоз сопровождается окислением и отщеплением первого углеродного атома глюкозы, то этот путь называется также апотомическим (apex – вершина).

Пентозофосфатный путь можно разделить две части: окислительную и неокислительную. В окислительной части, включающей три реакции, образуются НАДФН∙Н+ и рибулозо-5-фосфат. В неокислительной части рибулозо-5-фосфат превращается в различные моносахариды с 3, 4, 5, 6, 7 и 8 атомами углерода; конечными продуктами являются фруктозо-6-фосфат и 3-ФГА.

Окислительная часть. Первая реакция–дегидрирование глюкозо-6-фосфата глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой с образованием δ-лактона 6-фосфоглюконовой кислоты и НАДФН∙Н+ (НАДФ+ – кофермент глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы).

Вторая реакция – гидролиз 6-фосфоглюконолактона глюконолактонгидролазой. Продукт реакции – 6-фосфоглюконат.

Третья реакция – дегидрирование и декарбоксилирование 6-фосфоглюконолактона ферментом 6-фосфоглюконатдегидрогеназой, коферментом которого является НАДФ+. В ходе реакции восстанавливается кофермент и отщепляется С-1 глюкозы с образованием рибулозо-5-фосфата.

Неокислительная часть. В отличие от первой, окислительной, все реакции этой части пентозофосфатного пути обратимы

Транскетолаза (кофермент – тиаминпирофосфат) отщепляет двухуглеродный фрагмент и переносит его на другие сахара (см. схему). Трансальдолаза переносит трехуглеродные фрагменты.

В реакцию вначале вступают рибозо-5-фосфат и ксилулозо-5-фосфат. Это – транскетолазная реакция: переносится 2С-фрагмент от ксилулозо-5-фосфата на рибозо-5-фосфат.

Затем два образовавшиеся соединения реагируют друг с другом в трансальдолазной реакции; при этом в результате переноса 3С-фрагмента от седогептулозо-7-фосфата на 3-ФГА образуются эритрозо-4-фосфат и фруктозо-6-фосфат.Это F-вариант пентозофосфатного пути. Он характерен для жировой ткани.

Однако реакции могут идти и по другому пути. Этот путь обозначается как L-вариант. Он протекает в печени и других органах. В этом случае в трансальдолазной реакции образуется октулозо-1,8-дифосфат.

Общее уравнение окислительной и неокислительной частей пентозофосфатного пути можно представить в следующем виде:

6 Глюкозо-6-Ф + 7Н2О + 12 НАДФ+ 5 Пентозо-5-Ф + 6СО2 + 12 НАДФН∙Н+ + Фн.

Значение пентозофосфатного пути окисления глюкозы

Частью анаболических процессов являются так называемые восстановительные синтезы. В этих реакциях синтез вещества сопровождается потреблением восстановительных эквивалентов, ведущую роль среди которых, играет НАДФН+Н+. Роль донора данной формы восстановительных эквивалентов и выполняет пентозофосфатный путь. Синтез жирных кислот, аминокислот, стероидных гормонов - вот неполный перечень таких потребителей водородов НАДФН+Н+. В тканях, где интенсивно протекают данные реакции, активны и ферменты пентозофосфатного пути. К таким тканям относятся: надпочечники, печень, жировая ткань, лактирующая молочная железа. Особую функцию несет пентозофосфатный путь в эритроцитах, где водороды НАДФН+Н+ используется для защиты этих клеток от повреждающего действия активными формами кислорода (супероксидным анион-радикалом и пероксидом водорода).

Недостаточность глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы является наиболее частым дефектом ферментативных систем эритроцита. Насчитывается около 100 миллионов жителей нашей планеты с недостаточностью этого фермента. Многие из этих случаев вызваны генетическими изменениями структуры фермента (изоферменты с различной активностью). Проявления зависят от степени повреждения фермента: люди могут испытывать постоянный окислительный стресс, но бывает и безсимптомное течение. В тяжелых случаях заболевание проявляется в форме гемолитической анемии и хронического течения инфекционных заболеваний.

Некоторые лекарственные препараты, обладающие свойствами окислителей, могут усиливать окислительный стресс, так как стимулируют образование активных форм кислорода. У людей с недостаточностью глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы лечение этими препаратами может сопровождаться усиленным гемолизом.

Если в эритроцитах НАДФН+Н+ используется для борьбы с активными формами кислорода, то фагоцитирующие клетки используют НАДФН+Н+ для получения супероксидных анион-радикалов и других активных форм кислорода, которые играют основную роль в разрушении поглощенных бактериальных клеток. Образование супероксидного анион-радикала катализирует НАДФН-оксидаза. Эта реакция сопровождается образованием “осколка молекулы кислорода” (О2.-) и запускается, когда фагоцитирующая клетка заглатывает бактерию. Кислород, поглощаемый фагоцитами, используется на генерацию О2.-.

НАДФН + 2О2 ѕ® 2 О2.- + НАДФ+ + Н+

Хронический грануломатоз - наследственное заболевание, возникающее по причине дефицита НАДФН-оксидазы. Фагоциты таких людей не способны в достаточном количестве генерировать О2.- для разрушения поглощенных микроорганизмов.

Велико значение пентозофосфатного пути как поставщика рибозы-5-фосфата, необходимого для построения мононуклеотидов (АМФ, АДФ, АТФ, ГМФ и т.д.), олигонуклеотидов, коферментов (ФМН, ФАД, НАД, НАДФ), нуклеиновых кислот.

Следует заметить, что НАДФН∙Н+, в отличие от НАДН∙Н+, не является донором водородов для митохондриальной цепи ферментов. Для передачи его водородов в дыхательную цепь используются специальные трансдегидрогеназные реакции.

Регуляция. Главными регулируемыми (ключевыми) ферментами пентозофосфатного пути являются две дегидрогеназы его окислительной части: глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа и дегидрогеназа 6-фосфоглюконата. Индукторами биосинтеза этих ферментов является инсулин. Активность дегидрогеназ увеличивается при поступлении углеводов в организм и снижается при голодании и диабете.

Глюкуроновый путь обмена глюкозы

Рис. Глюкуроновый путь обмена глюкозы

Начальный этап пути аналогичен реакциям синтеза гликогена. Далее УДФ-глюкоза окисляется дегидрогеназой в УДФ-глюкуроновую кислоту, которая, теряя УДФ, превращается в глюкуроновую кислоту. В следующей реакции глюкуроновая кислота восстанавливается НАДФ-зависимой дегидрогеназой до L-гулоновой кислоты. Последняя в организме человека, приматов, морских свинок и некоторых птиц окисляется до 3-кетогулоновой кислоты, которая, декарбоксилируясь, превращается в L-ксилулозу. В организме большинства животных гулоновая кислота служит предшественником витамина С.

Ксилулоза может включаться в пентозофосфатный путь обмена углеводов, однако только в виде D-изомера. Изомеризация L-формы в D-форму осуществляется НАДФ-зависимыми дегидрогеназами через стадию образования спирта ксилитола. При отсутствии этих ферментов в моче резко увеличивается концентрация L-ксилулозы – синдром идиопатической пентозурии (довольно редкое наследственное заболевание).

Значение глюкуронового пути. В клетках организма глюкуроновая кислота используется для синтеза глюкозаминогликанов (гиалуроновой кислоты, хондроитинсульфатов, гепарина). УДФ-глюкуроновая кислота, связывая продукты метаболизма (например, стероидные гормоны) и чужеродные вещества (лекарственные препараты и другие ксенобиотики) в виде водорастворимых глюкуронидов легко экскретируется с желчью и мочой.

NB! Фруктоза и галактоза превращаются в глюкозу

Фруктоза образуется в кишечнике при гидролизе сахарозы сахаразой; кроме того, в состав фруктов и меда входит свободная фруктоза, которая легко всасывается. Поступая с током крови в различные органы, фруктоза подвергается следующим превращениям.

1. Фосфорилируется гексокиназой с образованием фруктозо-6-фосфата, который изомеризуется в глюкозо-6-фосфат – центральный метаболит обмена глюкозы. У человека фруктоза в свободном, т.е. нефосфорилированном виде, находится только в семенной жидкости.

2. Фосфорилируется фруктокиназой (в печени) с образованием фруктозо-1-фосфата, который расщепляется альдолазой В на триозы.

При врожденном недостатке фруктокиназы нарушается образование фруктозо-1-фосфата. В связи с блоком этого фермента возможно протекание только реакции, катализируемой гексокиназой, но она имеет низкое сродство к фруктозе (высокое значение КM к фруктозе), поэтому фруктоза накапливается в крови и выделяется с мочой(почечный порог для фруктозы низок) – эссенциальная фруктозурия.

При недостаточности альдолазы В (фруктозо-1-фосфат-альдолазы) в тканях накапливается фруктозо-1-фосфат, являющийся ингибитором альдолазы А. Дефект альдолаз приводит к нарушениям реакций гликолиза и глюконеогенеза.

Клинически недостаточность альдолаз проявляется гипогликемией после приема содержащей фруктозу пищи, в том числе сладких блюд, так как в них кладут сахар (сахарозу). Для гипогликемического синдрома характерны рвота через 30 мин после приема пищи, холодный пот, судороги, боль в животе, понос. При длительном потреблении небольших количеств фруктозы наблюдаются увеличение печени, общая гипотрофия.

При исключении фруктозы и сахарозы из рациона неблагоприятные симптомы исчезают.

Восстанавливается в сорбитол сорбитолдегидрогеназой (см восстановительный путь обмена глюкозы).

Обмен галактозы.

Галактоза входит в состав молочного сахара лактозы. В печени галактоза фосфорилируется галактокиназой с образованием галактозо-1-фосфата. Следующая реакция катализируется уридилтрансферазой, переносящей УДФ от УДФ-глюкозы на галактозо-1-фосфат. Наконец, УДФ-галактоза эпимеризуется эпимеразой в УДФ-глюкозу, которая может превращаться в глюкозо-1-фосфат ферментом пирофосфорилазой.

Недостаточность галактокиназы проявляется катарактой (галактитол – осмотически активное соединение, вызывающее помутнение хрусталика глаза). Наиболее распространенным и тяжелым является врожденный дефект уридилтрансферазы (галактозо-1-фосфат-уридилтрансферазы). Он проявляется синдромом галактоземия. При этом заболевании из-за недостаточности уридилтрансферазы в крови резко повышается содержание галактозо-1-фосфата и галактозы, дающие положительную реакцию на “сахар” крови. Сахар обнаруживается в моче (галактозурия). Синдром галактоземии проявляется желтухой новорожденных, гепатомегалией, задержкой психического развития. Заподозрить этот дефект можно на основании рвоты, возникающей после кормления ребенка грудью, поноса, прогрессирующей катаракты.

При исключении из рациона галатозы (молока) проявления заболевания значительно уменьшаются, однако катаракта не исчезает.

Гликогеновые болезни

Гликогеновые болезни относятся к наследственным нарушениям обмена. Они делятся на две основных группы.

1. Гликогенозы – развиваются в результате недостаточной активности или отсутствия ферментов, ответственных за распад гликогена.

2. Агликогенозы – результат недостаточности ферментов синтеза гликогена.

Гликогенозы – болезни накопления. В зависимости от места дефекта того или иного фермента распада гликогена гликогенозы подразделяются на несколько типов. Из них наиболее распространен I тип (болезнь Гирке) – результат недостаточности глюкозо-6-фосфатазы. Клетки печени и почек заполнены гликогеном, введение адреналина или глюкагона не вызывает повышения уровня глюкозы в крови, гипогликемия натощак, особенно после сна; у таких людей развивается гепатомегалия и нарушаются функции печени и почек.

II тип (болезнь Помпе) – отсутствие лизосомальной -(1—4) и (1—6)-глюкозидазы (кислой мальтазы), . Отмечается генерализованное поражение всех органов.

III тип (лимитдекстриноз, болезнь Форбса, или болезнь Кори) – дефект деветвящего фермента (амило-1,6-гликозидазы). В печени и мышцах накапливается характерный разветвленный полисахарид (остаточный (лимит) декстрин).

IV тип (амилопектиноз , болезнь Андерсен) – дефект фермента ветвления. Структура молекулы гликогена представлена очень короткими ветвями. Обычно заканчивается летальным исходом в первый год жизни из-за сердечной или печеночной недостаточности.

Vтип (болезнь Мак-Ардля) –недостаточность мышечной фосфорилазы. У больных снижена выносливость к физическим нагрузкам; хотя мышечные клетки и заполнены гликогеном (до 4 % от массы мышц), после физической нагрузки лактат в крови не обнаруживается.

VI тип (болезнь Херса) – недостаточность фосфорилазы в печени. Структура гликогена при этом не нарушена. У таких больных развивается гепатомегалия.

Имеются и другие разновидности гликогенозов, связанные с недостаточностью ферментов обмена гликогена и глюкозы: болезнь Таруи (VII тип) – недостаточность фосфофруктокиназы в мышцах и эритроцитах, болезнь Томпсона (VIII тип) –недостаточность ингибиторов фосфогексоизомеразы, болезнь Хага (IX тип) – недостаточность киназы фосфорилазы b.

При агликогенозах в результате нарушения синтеза гликогена страдают энергетические ресурсы клетки.

Регуляция углеводного обмена

Регуляция углеводного обмена осуществляется на всех его этапах нервной системой и гормонами. Помимо этого, активность ферментов отдельных путей метаболизма углеводов регулируется по принципу “обратной связи”, в основе которого лежит аллостерический механизм взаимодействия фермента с эффектором. К аллостерическим эффекторам можно отнести конечные продукты реакции, субстраты, некоторые метаболиты, адениловые мононуклеотиды. Важнейшую роль в выборе направленности углеводного обмена (синтез или распад углеводов) играет соотношение коферментов НАД+/НАДН∙Н+ и энергетический потенциал клетки.

Постоянство уровня глюкозы в крови – важнейшее условие поддержания нормальной жизнедеятельности организма. Нормогликемия является результатом слаженной работы нервной системы, гормонов и печени.

Печень – единственный орган, депонирующий глюкозу (в виде гликогена) для нужд всего организма. Благодаря активной фосфатазе глюкозо-6-фосфата гепатоциты способны образовывать свободную глюкозу, которая, в отличие от ее фосфорилированных форм, может проникать через мембрану клеток в общий круг кровообращения.

Выдающуюся роль среди гормонов играет инсулин. Он оказывает действие только на инсулинзависимые ткани, прежде всего, на мышечную и жировую. Мозг, лимфатическая ткань, эритроциты относятся к инсулиннезависимым. Поступление глюкозы в печеночные клетки и выход глюкозы в кровь из печени также являются независимыми от инсулина процессами.

Наиболее существенным действием инсулина на организм является снижение нормального или повышенного уровня глюкозы в крови – вплоть до развития гипогликемического шока при введении высоких доз инсулина. Уровень глюкозы в крови снижается в результате: 1) ускорения поступления глюкозы в клетки; 2)повышения использования глюкозы клетками.

Инсулин ускоряет поступление моносахаридов в инсулинзависимые ткани, особенно глюкозы (а также сахаров схожей конфигурации в положении С-1– С-3), но не фруктозы. Связывание инсулина со своим рецептором на плазматической мембране приводит к перемещению запасных белков-переносчиков глюкозы (ГЛУТ 4) из внутриклеточных депо и включению их в мембрану.

Инсулин активирует использование клетками глюкозы путем:

активирования и индукции синтеза ключевых ферментов гликолиза (глюкокиназы, фосфофруктокиназы, пируваткиназы);

увеличения включения глюкозы в пентозофосфатный путь (активирование дегидрогеназ глюкозо-6-фосфата и 6-фосфоглюконата);

повышения синтеза гликогена за счет стимуляции образования глюкозо-6-фосфата и активирования гликогенсинтазы (одновременно инсулин ингибирует гликогенфосфорилазу);

торможения активности ключевых ферментов глюконеогенеза (пируваткарбоксилазы, фосфоенолпируваткарбоксикиназы, дифосфатазы, глюкозо-6-фосфатазы) и репрессии их синтеза (уставлен факт репрессии гена фосфоенолпируваткарбоксикиназы).

Другие гормоны, как правило, способствуют увеличению содержания глюкозы в крови.

Глюкагон и адреналин приводят к росту гликемии путем активации гликогенолиза в печени (активирование гликогенфосфорилазы), однако в отличие от адреналина глюкагон не влияет на гликогенфосфорилазу мышц. Кроме того, глюкагон активирует глюконеогенез в печени, следствием чего также является увеличение концентрации глюкозы в крови.

Глюкокортикоиды способствуют повышению уровня глюкозы в крови за счет стимуляции глюконеогенеза (ускоряя катаболизм белков в мышечной и лимфоидной тканях, эти гормоны увеличивают содержание в крови аминокислот, которые, поступая в печень, становятся субстратами глюконеогенеза). Кроме того, глюкокортикоиды препятствуют утилизации глюкозы клетками организма.

Гормон роста вызывает увеличение гликемии опосредованно: стимулируя распад липидов, он приводит к увеличению уровня жирных кислот в крови и клетках, снижая тем самым потребность последних в глюкозе (жирные кислоты – ингибиторы использования глюкозы клетками).

Тироксин, особенно вырабатываемый в избыточных количествах при гиперфункции щитовидной железы, также способствует повышению уровня глюкозы в крови (за счет увеличения гликогенолиза).

При нормальном уровне глюкозы в крови почки полностью ее реабсорбируют и сахар в моче не определяется. Однако если гликемия превышает 9–10 ммоль/л (почечный порог), то появляется глюкозурия. При некоторых поражениях почек глюкоза может обнаруживаться в моче и при нормогликемии.

В норме содержание глюкозы в крови натощак обычно ниже 6 ммоль/л, уровень в пределах 6–8 ммоль/л должен рассматриваться как пограничное состояние, а равный или превышающий 8 ммоль/л может служить диагнозом сахарного диабета.

Проверка способности организма регулировать содержание глюкозы в крови (толерантность к глюкозе) используется для диагностики сахарного диабета при постановке перорального глюкозо-толерантного теста. Первая проба крови берется натощак после ночного голодания. Затем больному в течение 5 мин. дают выпить раствор глюкозы из расчета 1 г глюкозы на кг массы тела (1,5 г сахарозы) в 200 мл воды. После этого каждые 30 мин на протяжении 2 ч определяют содержание глюкозы в крови и полученные результаты используют для построения “сахарных кривых”. Гликемические кривые у детей имеют такой же характер, что и у взрослых, с тем лишь отличием, что повышение концентрации глюкозы в крови у детей после нагрузки меньшее.

Таблица Критерии ВОЗ, используемые при диагностике сахарного диабета и нарушения толерантности к глюкозе

Диагноз	Время взятия крови	Венозная цельная кровь, ммоль/л
Сахарный диабет Нарушение толерантности к глюкозе	Натощак 2 ч после “нагрузки” Натощак 2 ч после “нагрузки”	>6,0 >10,0 5,8-6,0 6,7 – 10,0

У больных с разными формами диабета нарастание гликемической кривой происходит медленнее, достигая через 30-60 мин значительной величины (более чем в 1,8 раза превышая исходное значение). Нагрузка глюкозой в большинстве случаев сопровождается глюкозурией (почечный порог = 10 ммоль/л). Максимум гликемии достигается позже, подъём кривой – выше. Понижение кривой происходит очень медленно, чаще оно растягивается на 3-4 часа.

При гиперфункции щитовидной железы гликемические кривые характеризуются более быстрым, чем в норме, подъёмом, что, возможно, вызвано более интенсивным обменом веществ и возбуждением симпатической нервной системы.

У больных с аденомой островков Лангерганса, гипотиреозом, болезнью Аддисона отмечается низкий исходный уровень глюкозы. Вершина гликемической кривой уплощена. Возможно появление глюкозурии на фоне нормогликемии (ренальная глюкозурия).

266