СПЕЦИФІЧНІ ШЛЯХИ КАТАБОЛІЗМУ ВУГЛЕВОДІВ

СПЕЦИФІЧНІ ШЛЯХИ КАТАБОЛІЗМУ ВУГЛЕВОДІВ. Аеробне та анаеробне окиснення глюкози. Катаболізм та біосинтез глікогену. Глюконеогенез. Механізми гормональної регуляції вуглеводного обміну

 

 

Головним джерелом вуглеводів для організму людини є крохмаль рослинних продуктів. Зерна пшениці, жита, рису, кукурудзи містять 60-80 % крохмалю, бульба картоплі — 15-20 %. Джерелами харчового цукру, який складається переважно із сахарози, є цукровий буряк та цукрова тростина. Рекомендована добова норма харчового цукру для дорослої людини складає близько 50 г, хоча реальні величини його споживання коливаються від 20 до 100 і більше г/добу,залежно від харчових звичок та соціально-економічного стану населення.

 

 

Глюкоза може утворюватись в організмі з амінокислот, гліцерину, молочної кислоти та інших речовин. Цей процес посилюється за недостатнього надходження вуглеводів їжі. Схема обміну вуглеводів в організмі людини показана на рис.

 

Центральна роль глюкози зумовлена її структурою і фізико-хімічними властивостями.

Порушення обміну вуглеводів характерні для ряду захворювань – цукрового діабету, непереносимості лактози, фруктози, галактоземії, глікогенозів, уражень печінки, нервової системи.

Фізіологічні функції:

-                     Енергетична. Джерело енергії. Для людини. Під час окиснення 1г виділяється 16,9 кДж (4ккал) енергії.

-                     Пластична. З вуглеводів синтезуються органічні та нуклеїнові кислоти.

-                     Регуляторна. Регулюють осмотичні процеси; протидіють накопиченню кетонових тіл під час окиснення жирів.

-                     Опорна. У комплексі з білками входять до складу хрящових тканин.

- Захисна. Важлива роль вуглеводів в захисних реакціях організму, особливо, які відбуваються в печінці. Взаємодіють в печінці з багатьма отруйними сполуками, переводячи їх в нешкідливих і легко розчинних речовини. Глюкуронова кислота сполучаючись із токсичними речовинами, утворює нетоксичні складні ефіри. Захисна функція – в’яжучі секрети, які виділяються різними залозами і багаті на мукополісахариди, захищають стінки деяких порожнистих органів від механічних пошкоджень і від проникнення патогенних бактерій і вірусів.

-                     Спеціалізована. Деякі вуглеводи та їх похідні мають біологічну активність, виконуючи в організмі спеціалізовані функції.  Гепарин попереджає зсідання крови в судинах,  гіалуронова кислота запобігає прониканню бактерій через клітинну оболонку. Виконують (окремі представники) в організмі особливі функції, наприклад, беруть участь у проведенні нервових імпульсів, утворенні антитіл, забезпечують специфічність груп крові, нормальну діяльність центральної нервової системи.

 

Вуглеводневі запаси людини дуже обмежені, під час інтенсивної праці швидко витрачаються, тому вуглеводи повинні потрапляти в організм є їжею кожний день. Добова потреба 400-500г.

Функції харчових волокон в травленні:

-                     стимулюють моторну функцію кишечнику;

-                     запобігають всмоктуванню холестерину;

-                     позитивно впливають на нормалізацію складу мікрофлори кишечнику, уповільнюють гнілістні процеси;

-                     впливають на ліпідний обмін, порушення якого призводить до ожиріння; адсорбують жовчні кислоти;

-                     сприяють зниженню вмісту  та видалення токсичних речовин.

Серед незасвоюваних вуглеводів важливе значення мають клітковина (целюлоза), геміцелюлоза, протопектин, лігнін, пектини, слиз та камеді. Вони складають основу харчових волокон. Клітковина і геміцелюлоза є структурними компонентами оболонки клітин. Вони мають здатність зв’язувати воду (0,4 г води на 1 г клітковини) і є наповнювачами їжі. Добова норма харчових волокон для дорослої людини становить 25—30 г.  Недостатність у раціоні овочів із високим вмістом харчових волокон призводить до порушення обміну речовин, погіршення травлення та загального ослаблення організму. Характерними хворобами при дефіциті харчових волокон є виразкова хвороба шлунку і дванадцятипалої кишки, сечокам’яна хвороба та подагра. Водночас переважання грубої овочевої їжі також небажане і призводить до неповного перетравлення їжі, порушення всмоктування мінеральних речовин та вітамінів. Це призводить до утворення надлишкових газів у кишечнику, проносу та болів у шлунку. Тут дуже важливе почуття міри і мудрість у використання грубої овочевої їжі.

При недостатній кількості в їжі не засвоюваних вуглеводів спостерігається збільшення серцево-судинних захв., злоякісних утворювань товстої кишки. Добова норма ХВ 20-25г. джерело ХВ: пшеничні висівки, овочі, фрукти.

 

Травлення вуглеводів

 

У шлунково-кишковому тракті полі- і дисахариди гідролізуються під дією ферментів глікозидаз до моносахаридів, які здатні всмоктуватись. Із вуглеводів їжі в організмі людини засвоюються полісахариди крохмаль і глікоген, дисахариди сахароза, лактоза і мальтоза, моносахариди глюкоза і фруктоза. Останні містяться в їжі у невеликих кількостях (фрукти, мед). Більша частина рослинних вуглеводів (целюлоза, лігнін, пектини, ксилани тощо) не засвоюється в організмі людини внаслідок відсутності ферментів, які б розщеплювали їх до моносахаридів.

Клітковина (целюлоза) - найпоширеніший високомолекулярний некрохмальний полісахарид. Це основний компонент і опорний матеріал клітинних стінок рослин. Клітковина нерозчинна у воді і в звичайних умовах не піддається гідролізу кислотами.

Целюлоза (клітковина), як і крохмаль чи глікоген, складається з ланок глюкози, однак, на відміну від них, містить залишки b-D-глюкопіранози. Тому, при утворенні зв'язків 1®4 між ланками, вони повертаються по відношенню одна до другої на 180°, як ми це бачили на прикладі целобіози. Наявність b-(1®4) зв'язків у молекулі полімеру і визначає принципову відмінність його властивостей та функцій від резервних полісахаридів:

Целюлоза має молекулярну масу від 100 тис. до 1 млн. Вона не розчиняється у воді. Завдяки своїй стійкості це найбільш поширений в світі біополімер.

Целюлоза виконує структурну функцію в рослинному світі – основна складова частина оболонок рослинних клітин. Деревина на 50% складається з целюлози, а льон, вовна - це майже чиста целюлоза.

Але целюлоза й інші рослинні полісахариди повинні обов'язково входити до складу їжі людини. Завдяки абсорбції води, масв якої у 10-15 разів більша за їх власну масу, рослинні волокна сильно збільшують об'єм харчової грудочки і таким чином стимулюють перистальтику ШКТ. Неперетравлена целюлоза сприяє формуванню калових мас. Крім того, рослинні волокна сорбують деякі токсичні речовини, зокрема канцерогенні, що зменшує їх вбирання стінкою кишечника і зумовлює виведення з організму.

Розщеплення крохмалю і глікогену починається у роті під час жування їжі завдяки дії ферменту амілази, який виділяється слинними залозами.

Амілаза каталізує гідроліз альфа-1,4-глікозидних зв'язків полісахаридів (рис. ).

 

Залежно від часу знаходження їжі в роті, розщеплюється різна кількість зв'язків і утворюється суміш декстринів (олігосахаридів), мальтози та ізомальтози – дисахаридів, в яких залишки глюкози з'єднані, відповідно, альфа-1,4- і альфа-1,6-глікозидними зв'язками, та незначної кількості вільної глюкози.

Перетравлення вуглеводів у шлунку зупиняється, оскільки в шлунковому соку немає глікозидаз, а амілаза слини поступово інактивується при низьких значеннях рН. Далі розщеплення відновлюється у дванадцятипалій кишці, куди надходить альфа-амілаза підшлункової залози, яка також гідролізує альфа-1,4-глікозидні зв'язки. Фермент оліго-1,6-глікозидаза (альфа-декс­триназа) гідролізує альфа-1,6-глікозидні зв'язки, які знаходяться у точках розгалуження глікогену й амілопектинової фракції крохмалю. Завершується процес травлення вуглеводів на мукозній поверхні клітин кишечника під дією дисахаридаз.

Ці ферменти синтезуються в епітеліальних клітинах слизової оболонки і функціонують зв'язаними із зовнішньою (люмінальною) стороною мембран клітин. Мальтаза (альфа-глюкозидаза) гідролізує мальтозу до двох молекул глюкози, лактаза (бета-галактозидаза) – лактозу до глюкози і галактози, сахараза – сахарозу до глюкози і фруктози.

У клінічній практиці зустрічаються спадкові недостатність чи дефект лактази і дуже рідко – сахарази і альфа-декстринази. В результаті дефекту лактази розвивається непереносимість лактози молока. Частина непере­травленої лактози піддається бродінню під дією ферментів мікроорганізмів кишечної флори, що обумовлює діарею і утворення газів. Генетичний дефект лактази у дітей зустрічається рідко. Але у дорослих людей непереносимість лактози досить поширена (у 80 % осіб африканського і азіатського походження і у 15 % європейців). Оскільки ці люди споживають молоко у грудному віці і ранньому дитинстві без ознак непереносимості лактози, генетичний дефект властивий, вірогідно, не гену лактази, а гену якогось білка, що бере участь у регуляції синтезу лактази. Виключення лактози із їжі приводить до зникнення симптомів хвороби. При деяких кишечних інфекціях може розвиватись тимчасова непереносимість лактози.

Суміш моносахаридів (глюкози і меншої кількості фруктози та галактози) поглинається епітеліальними клітинами, які вистеляють тонкий кишечник. Перенесення їх через мембрану всередину клітин здійснюється шляхом активного транспорту Nа⁺-залежною системою (симпорт з Nа⁺). Ця система ефективно працює при низьких концентраці­ях глюкози чи галактози у просвіті кишечника, забезпечуючи вбирання їх проти градієнта концентрації.

 

 

 

 Коли ж концентрація моносахаридів у просвіті кишечника більша за концентрацію у клітинах, всмоктування йде шляхом пасивного транспорту – полегшеною дифузією. Із клітин епітелію моносахариди надходять у кров, вірогідно, шляхом дифузії за градієнтом концентрації.

 

 

Надходження вуглеводів у клітини

Всмоктуючись у кишечнику, глюкоза, фруктоза і галактоза надходять з кров'ю ворітної вени у печінку, де більша частина моносахаридів затримується і зазнає перетворень декількома шляхами. Менша частина глюкози через загальний кровообіг переноситься до інших органів і тканин. Встановлено, що після надходження вуглеводної їжі близько 55 % глюкози захоплюється печінкою, 15 % – інсулінозалежними клітинами жирової тканини і скелетних м'язів, 25 % – інсулінонезалежними тканинами (мозком, нервами, еритроцитами, мозковою частиною нирок тощо), 5 % – залишається в рідинах організму. Внутрішньоклітинна концентрація глюкози дуже низька, порівняно з концентрацією в плазмі крові, тому надходження її у клітини тканин здійснюється за градієнтом концентрації шляхом пасивного транспорту (процес стимулюється інсуліном) чи простої дифузії (в інсулінонезалежні тканини). У клітини печінки глюкоза надходить також шляхом дифузії, оскільки мембрана їх проникна для глюкози.

 

Інсулін підвищує поглинання глюкози печінкою завдяки індукції синтезу печінкового ферменту глюкокінази.

 

Глюкоза затримується у клітинах завдяки її фосфорилюванню до глюкозо-6-фосфату, в якому фосфатна група іонізована, несе негативний заряд. Оскільки клітинні мембрани звичайно непроникні для заряджених молекул, глюкозо-6-фосфат не може вийти із клітини. Фруктоза і галактоза також фосфорилюються у клітинах печінки, але накопичення фосфорильованих моносахаридів у клітинах призвело б до осмотичного надходження води, набухання клітин. Тому глюкозо-6-фосфат перетворюється в нерозчинний у воді полісахарид глікоген, який служить запасною формою вуглеводів в організмі тварин і людини або піддається катаболізму.

Фосфорилюється глюкоза в реакції з АТФ, яку каталізує фермент гексокіназа:

Ця реакція практично незворотна, що зумовлюється низькоенергетичною природою глюкозо-6-фосфату. В різних тканинах організму є декілька ізоферментних форм гексокінази, які близькі за своїми властивостями. А специфічна форма ферменту, яка називається глюкокіназою, є тільки в печінці, що має важливе значення при споживанні вуглеводної їжі. В табл. порівнюються властивості гексокінази і глюкокінази.

Таблиця  Властивості гексокінази і глюкокінази

 

 

 

Гормон підшлункової залози інсулін підвищує активність та індукує синтез глюкокінази.

 

Гліколіз

 

Гліколіз — центральний шлях катаболізму глюкози, сукупність ферментативних реакцій, в результаті яких шестивуглецева молекула глюкози розщеплюється до двох тривуглецевих молекул піровиноградної або молочної кислоти. Гліколіз є шляхом катаболізму глюкози, в якому кисень не бере безпосередньої участі, проте, за рахунок наявності в гліколізі окислювально-відновлювальних реакцій, у результаті гліколітичного розщеплення глюкози генерується дві молекули АТФ. Гліколіз є різновидом бродіння — біохімічного процесу, за рахунок якого забезпечують свою потребу в енергії у  формі АТФ більшість існуючих на Землі анаеробних організмів або аеробів при функціонуванні в умовах недостатнього за-безпечення молекулярним киснем. Аеробний гліколіз можна також розглядати як проміжний (гліколітичний) етап аеробного окислення  глюкози до кінцевих продуктів — двоокису вуглецю та  води;– анаеробний гліколіз, що супроводжується утворенням з однієї молекули глюкози двох молекул молочної кислоти (лактату).

Виділяють дві стадії гліколізу:

1. Розщеплення молекули глюкози до двох молекул фосфотріоз (гліцеральдегід-3-фосфату та діоксіацетонфосфату). Ця стадія включає в себе послідовність

реакцій, які потребують витрати двох молекул ATP на кожну молекулу глюкози, що розщеплюється.

2. Перетворення двох молекул фосфотріоз на дві молекули пірувату (або лактату). Ця стадія включає в себе окислювально-відновлювальні реакції (“гліколітична оксидоредукція”), які супроводжуються генерацією чотирьох молекул ATP. Таким чином, у результаті розщеплення однієї молекули глюкози в реакціях аеробного або анаеробного гліколізу сумарний вихід АTP складає дві молекули.

Катаболізм вуглеводів в організмі людини включає декілька метаболічних шляхів і забезпечує вивільнення енергії у формі АТФ, а також утворення сполук, необхідних для синтезу інших біологічно важливих речовин. Центральним шляхом катаболізму глюкози є гліколіз, в ході якого шестивуглецева молекула глюкози розпадається до кислот (піровино­градної чи молочної), що мають по 3 атоми вуглецю в молекулі. Процес може здійснюватись в анаеробних і аеробних умовах.

    В організмі людини анаеробний гліколіз з утворенням молочної кислоти (лактату) забезпечує енергією скелетні м'язи при інтенсивній роботі, коли обмежене надходження кисню до мітохондрій. У клітинах, що не мають мітохондрій (зрілі еритроцити) чи із зниженою окиснювальною здатністю (сітківка ока, сім'яники, мозкова частина нирок, злоякісні пухлини), також відбувається гліколітичне розщеплення глюкози до молочної кислоти. Але в більшості тканин організму людини має місце повне аеробне розщеплення глюкози до СО₂ і Н₂О. Гліколіз з утворенням піровиноградної кислоти є першим етапом цього процесу, специфічним для вуглеводів, а за ним іде загальний шлях катаболізму (окиснювальне декарбоксилювання піровиноградної кислоти, цикл лимонної кислоти, мітохондріальний дихальний ланцюг). Тканини, адаптовані до роботи в аеробних умовах (наприклад, нервова тканина, серцевий м'яз), дуже чутливі до гіпоксії.

У багатьох мікроорганізмах, що ростуть в анаеробних умовах, утворення енергії також забезпечує гліколітичний розпад вуглеводних субстратів. При цьому кінцеві продукти бувають різними: молочна кислота (молочнокислі бактерії), етанол (пивні дріжджі), гліцерин, пропіонова і масляна кислоти та ін. Процеси такого типу часто називають бродінням. Молочнокисле бродіння ідентичне анаеробному гліколізу, що має місце в скелетних м'язах людини і тварин при напруженій роботі.

 

Реакції гліколізу

Перетворення глюкози в молочну кислоту складається з одинадцяти послідовних ферментативних реакцій і відбувається в цитоплазмі клітин. Майже для всіх ферментів гліколізу потрібні іони Mg²⁺ як активатори.

1. У першій реакції молекула глюкози активується шляхом взаємодії з АТФ під дією гексокінази чи глюкокінази (рис.). Таким чином, катаболізм глюкози починається із використання АТФ. Властивості обох ферментів розглянуті вище. Реакція фосфорилювання глюкози незворотна та є однією з трьох регуляторних реакцій гліколізу.

2. Глюкозо-6-фосфат ізомеризується у фруктозо-6-фосфат під дією фосфоглюкоізомерази. Реакція зворотна.

3. Фруктозо-6-фосфат приєднує ще один фосфатний залишок від АТФ з утворенням фруктозо-1,6-дифосфату в незворотній реакції, яку каталізує фосфофруктокіназа – найбільш важливий регуляторний фермент гліколізу. Активатори фосфофруктокінази – АМФ і АДФ, інгібітори – АТФ і цитрат.

 

 

4. Альдолаза каталізує розщеплення фруктозо-1,6-дифосфату на два тріозофосфати: гліцеральдегід-3-фосфат і діоксіацетонфосфат. Реакція зворотна.

5. Утворені тріозофосфати є ізомерами і під дією тріозофосфатізомерази можуть взаємоперетворюватись. У наступній реакції гліко­лізу використовується гліцеральдегід-3-фосфат і тому діоксіацетонфосфат для дальшого перетворення повинен перейти в гліцеральдегід-3-фосфат. Ці п'ять реакцій становлять перший, підготовчий етап гліколізу, коли молекула глюкози двічі фосфорилюється за рахунок АТФ. Таким чином, на активацію молекули глюкози і підготовку її до розщеплення на дві тріози витрачується дві молекули АТФ.

6. Другий етап гліколізу починається з окиснення гліцеральдегід-3-фосфату до 1,3-дифосфогліцеринової кислоти (1,3-дифосфогліцерату) .

 

Цю окисно-відновну реакцію каталізує гліцеральдегід-3-фосфатдегідрогеназа з коферментом нікотинамідаденіндинуклеотидом (НАД⁺), який відновлюється. У реакції бере участь неорганічний фосфат. У ході окиснення альдегідної групи гліцеральдегід-3-фосфату в карбоксильну більша частина вільної енергії реакції утримується в ковалентному зв'язку карбоксилу з фосфатом (високоенергетичний, або макроергічний зв'язок). Оскільки в клітині обмежена кількість НАД⁺, відновлений НАД, який утворюється в цій реакції, для участі в гліколітичному розпаді нових молекул глюкози повинен перейти назад в окиснену форму (НАД⁺). В аеробних умовах НАД окиснюється у процесі роботи дихального ланцюга за рахунок молекулярного кисню, а в анаеробних умовах – в останній реакції гліколізу (перетворенні пірувату в лактат).

7. Фосфогліцераткіназа каталізує перенесення високоенергетичної фосфатної групи 1,3-дифосфогліцерату на АДФ і, таким чином, утворення АТФ. На відміну від синтезу АТФ шляхом окиснювального фосфорилювання (за рахунок енергії тканинного дихання), синтез АТФ, поєднаний із перетворенням високоенергетичного субстрату в продукт, називають субстратним фосфорилюванням. Фосфогліцераткіназна реакція ­зворотна.

8. Фосфогліцератмутаза каталізує зворотну реакцію перенесення фосфатної групи в молекулі 3-фосфогліцерату в положення 2.

9. Фермент енолаза каталізує дегідратацію 2-фосфогліцерату з утворенням фосфоенолпірувату. Відщеплення води викликає перерозподіл енергії в молекулі, утворення сполуки з високоенергетичним зв'язком. Реакція зворотна.

10. Високоенергетична фосфатна група фосфоенолпірувату переноситься на АДФ з утворенням АТФ і піровиноградної кислоти. Цю реакцію субстратного фосфорилювання каталізує піруваткіназа, третій регуляторний фермент гліколізу. Активує піруваткіназу фруктозо-1,6-дифосфат, який утворюється в третій реакції гліколізу. Інгібіторами служать АТФ, ацетил-КоА, амінокислота аланін, жирні кислоти з довгим ланцюгом. В умовах клітини піруваткіназна реакція практично незворотна.

Спадкова недостатність піруваткінази в еритроцитах зумовлює розвиток гемолітичної анемії. Як відзначалось раніше, зрілі еритроцити не мають мітохондрій і тому повністю залежать від синтезу АТФ під час гліколізу. Уроджений дефект піруваткінази викликає гальмування гліко­лізу і недостаток енергії в еритроцитах, що призводить до порушення цілісності мембран, деформації клітин та усунення їх із крові ретикуло-ендотеліальною системою.

11. В анаеробних умовах відновлений НАДН, який утворюється під час окиснення гліцеральдегід-3-фосфату (шоста реакція), переходить у НАД⁺ шляхом перетворення пірувату в лактат. Цю реакцію каталізує лактатдегідрогеназа.

Лактатдегідрогеназна реакція зворотна, і положення рівноваги сильно зміщене в бік утворення молочної кислоти, яка є кінцевим продуктом анаеробного гліколізу. Але молочна кислота – це своєрідний глухий кут у метаболізмі, вона може перетворитись назад у піруват шляхом обернення лактатдегідрогеназної реакції, що здійснюється в аеробних умовах.

Тому молочна кислота, яка накопичується в скелетних м'язах під час напруженої роботи, потрапляє у кров і надходить у печінку, міокард і меншою мірою в інші тканини, де перетворюється в піруват. Останній у міокарді окиснюється до СО₂ і Н₂О, а в печінці частково окиснюється, а частково перетворюється в глюкозу. Відповідне спрямування лактатдегідрогеназної реакції (в скелетних м'язах – у сторону лактату; а в міокарді – у сторону пірувату) забезпечується вмістом ізоферментів ЛДГ у даних органах.

Енергетичний баланс гліколізу

АТФ використовується для фосфорилювання глюкози і фруктозо-6-фосфату, тобто затрачаються дві молекули АТФ на одну молекулу глюкози. Оскільки молекула глюкози розпадається на дві тріози, а перетворення однієї тріози в лактат дає 2 молекули АТФ, то утворюються 4 молекули АТФ. Таким чином, чистий вихід АТФ складає 4-2=2 молекули на одну молекулу глюкози, перетворену в лактат.

Сумарне рівняння процесу таке:

 

Енергетичний баланс аеробного розпаду глюкози

Для з'ясування кількості АТФ, яка синтезується при повному окисненні глюкози до СО₂ і Н₂О, необхідно сумувати вихід АТФ у кожній стадії процесу:

1) гліколізу в аеробних умовах;

2)     окиснювального декарбоксилювання пірувату;

3)     циклу лимонної кислоти;

4)     дихального ланцюга.

При гліколітичному розпаді однієї молекули глюкози в аеробних умовах утворюються 2 молекули піровиноградної кислоти, 2 АТФ і 2 НАДН:

С₆Н₁₂О₆ + 2 АДФ + 2 Ф_н + 2 НАД⁺               2С₃Н₄О₃ + 2 АТФ + 2 НАДН + Н⁺

Окиснювальне декарбоксилювання двох молекул пірувату дає 2 ацетил-КоА і 2 НАДН:

2 × (піруват + НАД⁺ + КоА-SН ацетил-КоА +  СО₂ + НАДН + Н⁺).

При окисненні 1 молекули ацетил-КоА, як розглянуто вище, утво­рюється 12 молекул АТФ. Окиснення в дихальному ланцюгу молекул НАДН, які утворюються при гліколізі й окиснювальному декарбокси-люванні пірувату, дає по З АТФ на 1 НАДН. Сумарний вихід АТФ у результаті повного окиснення 1 молекули глюкози складає 38 молекул (або 38 моль на 1 моль глюкози). Із 38 молекул чотири синтезуються шляхом субстратного фосфорилювання (2 — в гліколізі й 2 — в циклі лимонної кислоти) і 34 — в ході окиснювального фосфорилювання, поєднаного з перенесенням електронів по дихальному ланцюгу.

Проте в такому розрахунку не прийнято до уваги, що гліколіз відбувається в цитоплазмі, а тканинне дихання з окиснювальним фосфорилюванням — у мітохондріях. Мембрана мітохондрій непроникна для НАДН, утвореного під час гліколітичного окиснення гліцеральдегід-3-фосфату в цитоплазмі. Тому для передачі водню з цитоплазматичних НАДН на дихальний ланцюг внутрішньої мембрани мітохондрій існують особливі системи, які називаються човниковими. Механізм їх дії такий: цитоплазматичний НАДН відновлює якусь речовину, її віднов­лена форма переноситься через мембрану в матрикс мітохондрій, де окиснюється НАД- чи ФАД-залежним ферментом і повертається в цитоплазму. Відновлений НАДН чи ФАДН віддає електрони і протони на дихальний ланцюг внутрішньої мітохондріальної мембрани.

У клітинах печінки, міокарда і нирок функціонує малат-аспартат-на човникова система, яка забезпечує утворення 3 молекул АТФ на одну молекулу цитоплазматичного НАДН. У скелетних м'язах і клітинах мозку перенос водню з цитоплазматичного НАДН здійснює гліцеролфосфатна човникова система. У цьому випадку мітохондріальна гліцерол-3-фосфатдегідрогеназа є флавіновим ферментом, який передає 2 атоми водню на убіхінон, тому утворюються не 3 молекули АТФ, а 2. Таким чином, у скелетних м'язах і мозку окиснення 2 молекул цитоплазматичного НАДН дає 4 молекули АТФ. Отже, сумарний вихід АТФ із молекули глюкози складає 36 молекул.

 

Регуляція гліколізу

Швидкість гліколізу визначається доступністю субстратів і енергетичним станом клітини. Субстрат (залишки глюкози) постачає гексокіназна реакція, яка включає вільну глюкозу, і фосфорилазна реакція розпаду глікогену. Активність гексокінази гальмується продуктом реакції – глюкозо-6-фосфатом. Активність фосфорилази стимулюють гормональні агенти– адреналін і глюкагон, а також АМФ та іони Са²⁺. У стресових ситуаціях адреналін різко підвищує розпад глікогену в скелетних м'язах до молочної кислоти.

Важливими регуляторними пунктами гліколізу є незворотні реакції, що каталізуються фосфофруктокіназою і піруваткіназою (рис.).

 

 

 

Регуляція гексокінази

Гексокіназа інгібується продуктом реакції - глюкозо-6-фосфатом, який аллостеріческім зв'язується з ферментом, змінюючи його активність. Через те, що основна маса Г-6-Ф в клітці здійснюється шляхом розщеплення глікогену, гексокіназну реакція, по суті, для протікання гліколізу не є необхідною, і фосфорилювання глюкози в регуляції гліколізу виняткової важливості не має. Гексокіназну реакція є важливим етапом регуляції концентрації глюкози в крові і в клітці.При фосфорилювання глюкоза втрачає здатність транспортуватися через мембрану молекулами-переносниками, що створює умови для накопичення її в клітці. Інгібування гексокінази Г-6-Ф обмежує надходження глюкози в клітину, запобігаючи її надмірне накопичення. Глюкокіназа (IV ізотипи гексокінази) печінки не інгібується глюкозо-6-фосфатом, і клітини печінки продовжують накопичувати глюкозу навіть при високому вмісті Г-6-Ф, з якого надалі синтезується глікоген. У порівнянні з іншими изотипам глюкокіназа відрізняється високим значенням константи Міхаеліса, тобто на повну потужність фермент працює тільки в умовах високої концентрації глюкози, яка буває майже завжди після прийому їжі.

Глюкозо-6-фосфат може перетворюватися назад в глюкозу при дії глюкозо-6-фосфатази. Ферменти глюкокіназа і глюкозо-6-фосфатаза беруть участь у підтримці нормальної концентрації глюкози в крові.

Регуляція фосфофруктокінази

Інтенсивність протікання фосфофруктокіназной реакції вирішальним чином позначається на всій пропускної здатності гліколізу, а стимуляція фосфофруктокінази вважається найбільш важливим етапом регуляції.

Фосфофруктокінази (ФФК) - це тетрамерной фермент, який існує по черзі у двох конформаційних станах (R і T), які знаходяться в рівновазі і поперемінно переходять з одного в інше. АТФ є одночасно і субстратом, і аллостеріческім інгібітором ФФК.

У кожній з субодиниць ФФК є по два центри зв'язування АТФ: субстратний сайт і сайт інгібування. Субстратний сайт однаково здатний приєднувати АТФ при будь конформації тетрамера. У той час як сайт інгібування пов'язує АТФ виключно, коли фермент знаходиться в конформаційних станів T. Іншим субстратом ФФК є фруктозо-6-фосфат, який приєднується до ферменту переважно в R-стані. При високій концентрації АТФ сайт інгібування займається, переходи між конформації ферменту стають неможливими, і більшість молекул ферменту виявляються стабілізованими в T-стані, нездатну приєднати Ф-6-Ф. Однак інгібування фосфофруктокінази АТФ пригнічується АМФ, який приєднується до R-конформація ферменту, стабілізуючи таким чином стан ферменту для зв'язування Ф-6-Ф.

Найбільш важливим же аллостерічним регулятором гліколізу і глюконеогенезу є фруктозо-2 ,6-біфосфат, який не є посередником цих циклів. Фруктозо-2,6-біфосфат аллостерично активує фосфофруктокіназу.

Синтез фруктозо-2 ,6-біфосфата каталізується особливим біфункціональним ферментом - фосфофруктокиназої-2/фруктозо-2,6-біфосфатазой (ФФК-2/Ф-2 ,6-БФаза). В нефосфорілірован формі білок відомий як фосфофруктокінази-2 і має каталітичну активність по відношенню до фруктозо-6-фосфату, синтезуючи фруктозо-2-6-біфосфат. В результаті чого значно стимулюється активність ФФК і сильно пригнічується активність фруктозо-1,6-біфосфатази. Тобто за умови активності ФФК-2 рівновагу цієї реакції між гликолизом і глюконеогенез зміщується в бік першого - синтезується фруктозо-1 ,6-біфосфат.

В фосфорильованому вигляді біфункціональних фермент не має кіназной активністю, а навпаки в його молекулі активується сайт, який гідролізує Ф2, 6БФ на Ф6Ф і неорганічний фосфат. Метаболічний ефект фосфорилювання біфункціонального ферменту полягає в тому, що аллостерічеськая стимуляція ФФК припиняється, аллостерічеськіє інгібування Ф-1 ,6-БФази ліквідується і рівновага зміщується в бік глюконеогенезу. Продукується Ф6Ф і потім - глюкоза.

Взаємоперетворення біфункціонального ферменту здійснюються цАМФ-залежної протеїнкінази (ПК), яка в свою чергу регулюється циркулюючими в крові пептидними гормонами.

Коли в крові знижується концентрація глюкози, гальмується також і освіта інсуліну, а виділення глюкагону навпаки стимулюється, і його концентрація в крові різко підвищується. Глюкагон (та інші контрінсулярних гормони) зв'язуються з рецепторами плазматичної мембрани клітин печінки, викликаючи активацію мембранної аденілатциклази. Аденилатциклаза каталізує перетворення АТФ в циклічний АМФ. цАМФ зв'язується з регуляторною субодиницею протеїнкінази, викликаючи вивільнення і активізацію її каталітичних субодиниць, які фосфорилювання ряд ферментів, включаючи і біфункціональних ФФК-2/Ф-2 ,6-БФазу. При цьому в печінці припиняється споживання глюкози і активізуються глюконеогенез і глікогеноліз, відновлюючи нормогликемию.

Регуляція піруваткінази

Наступним кроком, де здійснюється регуляція гліколізу, є остання реакція - етап дії піруваткінази. Для піруваткінази також описаний ряд ізоферментів, що мають особливості регуляції.

Печінкова піруваткіназа (L-тип) регулюється при фосфорилювання, аллстеричними ефекторами і шляхом регуляції експресії генів. Фермент інгібується АТФ іацетил-КоА і активується фруктозо-1,6-біфосфатом. Інгібування піруваткінази АТФ відбувається подібно до дії АТФ на ФФК. Зв'язування АТФ з сайтом інгібування ферменту зменшує його спорідненість до фосфоенолпірувату. Печінкова піруваткіназа фосфорилюється і інгібується протеїнкіназою, і таким чином також знаходиться під гормональним контролем. Крім того, активність печінкової піруваткінази регулюється і кількісно, тобто зміною рівня його синтезу. Це повільна, довготривала регуляція. Збільшення в раціоні вуглеводів стимулює експресію генів, що кодують піруваткінази, в результаті рівень ферменту в клітині підвищується.

М-тип піруваткінази, знайдений в головному мозку, м'язах та інших глюкозо-потрібних тканинах не регулюється протеїнкінази. Це принципово в тому, що метаболізм цих тканин визначається тільки внутрішніми потребами і не залежить від рівня глюкози в крові.

М'язова піруваткіназа не схильна зовнішнім впливам, таким як зниження рівня глюкози в крові або викид гормонів. Позаклітинні умови, які призводять до фосфорилювання і інгібування печінкового ізоферменту, не змінюють активність піруваткінази М-типу. Тобто інтенсивність гліколізу в поперечносмугастій мускулатурі визначається тільки умовами всередині клітини і не залежить від загальної регуляції.

У таблиці наведені активатори й інгібітори регуляторних ферментів гліколізу.

 

Таблиця  Активатори й інгібітори регуляторних ферментів гліколізу

 

Більшість їх проявляють алостеричний тип регуляції. Розглянемо регуляцію гліколізу внутрішньоклітинною концентрацією АТФ, АДФ і АМФ, тобто енергетичним зарядом. Якщо в клітині високий рівень АТФ і відповідно низький рівень АДФ і АМФ, то активність регуляторних ферментів низька і гліколіз загальмований. Використання енергії в клітині, наприклад при активному м'язовому скороченні, висока концентрація АДФ і АМФ та низька АТФ посилюють активність гексокінази і фосфофруктокінази. У результаті їх дії зростає концентрація глюкозо-6-фосфату і фруктозо-1,6-дифосфату, які служать активаторами піруваткінази, тобто за принципом прямого позитивного зв'язку забезпечують зростання швидкості власного катаболізму. Таким чином, при низьких запасах енергії в клітині гліколіз ефективно включається, а при високих – виключається.

Гліколіз також гальмується, коли в клітині є достатня кількість вищих жирних кислот, амінокислот чи цитрату й ацетил-КоА. Ці сполуки самі служать паливом для циклу лимонної кислоти і тканинного дихання, забезпечуючи клітину енергією.

 

РЕГУЛЯЦІЯ РІВНЯ ГЛЮКОЗИ В КРОВІ 

 

У нормі через декілька годин після іди концентрація глюкози в крові людини складає 3,33-5,55 ммоль/л. При споживанні вуглеводної їжі вона зростає до 8-9 ммоль/л, а через 2 год повертається до норми. Голодування протягом декількох діб майже не відбивається на рівні глюкози в крові.

Постійність концентрації глюкози дуже важлива з огляду на високу вірогідність порушення функцій головного мозку при гіпоглікемії. Це зумовлюється рядом обставин:

енергетичні потреби головного мозку забезпечуються тільки глюкозою (лише на пізній стадії голодування — кетоновими тілами);

запаси глікогену в головному мозку дуже незначні;

шляхом глюконеогенезу глюкоза в клітинах мозку не синтезується;

глюкоза надходить із крові в клітини головного мозку шляхом незалежної від інсуліну дифузії за градієнтом концентрації, при гіпоглікемії надходження стає недостатнім для нормального функціонування мозку. Швидкий розвиток гіперглікемї також може зумовити порушення функцій мозку.

 

 

Концентрація глюкози в крові залежить від рівноваги між надходженням її в кров і споживанням тканинами. Оскільки виведення глюкози з організму з сечею в нормі дуже незначне, то підтримка сталості концентрації у відносно вузьких межах за значних коливань надходження з їжею забезпечується процесами обміну в тканинах. Система регуляторних механізмів включає гормони інсулін, глюкагон, адреналін, глюкокортикоїди, а також взаємодії між тканинами (печінкою, м'язами, мозком тощо).

Після споживання вуглеводної їжі підвищена концентрація глюкози в крові стимулює поглинання її тканинами. Швидкість надходження в клітини печінки, мязів, мозку й інших тканин прямо пропорційна концентрації глюкози в позаклітинній рідині. Крім того, висока концен­трація глюкози в циркулюючій крові стимулює секрецію В-клітинами підшлункової залози інсуліну, який підвищує проникність глюкози через клітинні мембрани скелетних м'язів, жирової тканини.

Підвищена концентрація глюкози в крові внаслідок споживання вуглеводної їжі (аліментарна гіперглікемія) і внаслідок стресу (емоційна гіперглікемія) швидко знижується до норми. Стійка гіперглікемія може розвинутись при цукровому діабеті, який виникає в результаті абсолютної чи відносної недостатності інсуліну. Інші причини гіперглікемії — надлишкова секреція гормону росту, глюкокортикоїдів, іноді ураження ЦНС, порушення мозкового кровообігу, захворювання печінки, підшлункової залози.

Гіперглікемію при цукровому діабеті можна розглядати як корисне пристосування, яке сприяє використанню глюкози клітинами мозку, міо­карда, еритроцитами, тобто інсулінонезалежними тканинами. Однак у скелетні м'язи, печінку та інші інсулінозалежні тканини глюкоза не надходить. При високій концентрації глюкози в крові підвищується швидкість зв'язування її з білками (глікозилювання білків), що зумовлює порушення їх функцій, тому тривала гіперглікемія викликає ряд віддалених ускладнень цукрового діабету.

При діагностиці цукрового діабету кров для аналізу краще брати після голодування протягом хоча б 10 год Концентрація глюкози в плазмі крові, взятої натщесерце, вища за 8 ммоль/л, свідчить про вірогідність цукрового діабету. Якщо концентрація глюкози знаходиться в межах 6-8 ммоль/л, то досліджують кров після цукрового навантаження (дають випити 75 г глюкози, розчиненої у воді). Концентрація через 2 год після навантаження 10 ммоль/л і вище вказує на цукровий діабет, а концентрація від 8 до 10 ммоль/л — на знижену толерантність до глюкози. У частини осіб із порушеною толерантністю до глюкози можливий розвиток діабету.

У хворих на цукровий діабет глюкоза може виділятись із сечею, зокрема після споживання їжі, при тяжких формах хвороби і під час голодування. Саме глюкозурія послужила основою для назви захворювання. У сечі здорових людей концентрація глюкози дуже низька, менша 0,8 ммоль/л (150 мг/л), оскільки клітини проксимальних відділів ниркових канальців майже повністю реабсорбують глюкозу з первинної сечі. Такий низький рівень глюкози в сечі виявляється лише високочутливими методами. Коли концентрація глюкози в плазмі крові й клубочковому фільтраті перевищує 10 ммоль/л, реабсорбційна здатність ниркових канальців стає недостатньою і певна кількість глюкози виділяється із сечею. Гіперглікемічна глюкозурія спостерігається не тільки при цукровому діабеті, а й при всіх захворюваннях, які супроводжуються рівнем гіперглікемії, вищим за нирковий поріг. Але в ряді випадків глюкозурія не розвивається, хоч вміст глюкози в плазмі крові перевищує нирковий поріг. Це спостерігається тоді, коли об'єм клубочкового фільтрату малий, загальна кількість глюкози, що надходить у ниркові канальці, низька і повністю реабсорбується.

Глюкозурія може бути і за нормальної чи дещо підвищеної концентрації глюкози в плазмі крові, якщо виникає дефект мембрано-транспортного механізму в канальцях (ниркова глюкозурія). У даному випадку нирковий поріг знижений. Ниркова глюкозурія спостерігається іноді при вагітності, спадковій недостатності проксимальних відділів ниркових канальців, дії на клітини проксимальних канальців токсичних речовин (важких металів, органічних розчинників тощо)

 

Гіпоглікемія виникає при таких патологічних станах:

·            надмірно високому вмісті інсуліну внаслідок пухлин чи гіперплазії клітин острівців підшлункової залози;

·            гіпофункції надниркових залоз;

·            гіпофункції гіпофіза;

·            багатьох типах злоякісних пухлин, локалізованих поза підшлунковою залозою;

·            тяжких ураженнях печінки, нервової системи, шлунка і кишечника;у ранньому дитячому віці при спадкових порушеннях обміну вуглеводів — галактоземії, непереносимості фруктози, деяких типах глікогенозів.

Крім того, гіпоглікемію можуть спричиняти деякі ліки, споживання значної кількості алкоголю. Найпоширенішими в клінічній практиці є гіпоглікемії, викликані надмірним введенням інсуліну хворим на цукровий діабет, а також прийомом ряду інших лікарських середників. Гіпоглікемію, зумовлену надмірним введенням інсуліну чи високою продукцією ендогенного інсуліну, діагностують шляхом визначення вмісту інсуліну. Симптоми гіпоглікемії розвиваються, коли концентрація глюкози в плазмі крові стає нижчою 2,5 ммоль/л (45 мг/дл). Спостерігаються запаморочення, корчі та інші неврологічні порушення аж до гіпоглікемічної коми. Прояви посилюються при значному фізичному навантаженні чи при тривалих перервах між споживанням їжі.

 

 

Пентозофосфатний шлях (ПФШ) окиснення глюкози

Основний шлях катаболізму глюкози в організмі людини і тварин – це поєднання гліколізу і циклу лимонної кислоти. Проте існують другорядні шляхи, які виконують специфічні функції. Один із них (пентозофосфатний) включає перетворення глюкозо-6-фосфату в пентозофосфати і СО₂ і таким чином забезпечує клітини рибозо-5-фосфатом для синтезу нуклеотидів і нуклеїнових кислот. Крім того, ПФШ постачає відновлену форму НАДФН, необхідну для реакцій відновлення під час синтезу жирних кислот і стероїдних сполук, для мікросомального окиснення. ПФШ складається з окисної і неокисної стадій (рис. ). Усі реакції відбуваються в цитоплазмі клітин.

У першій реакції окисної стадії глюкозо-6-фосфат окиснюється НАДФ⁺-залежною глюкозо-6-фосфатдегідрогеназою з утворенням НАДФН і 6-фосфоглюконолактону. Останній гідролізується лактоназою до 6-фосфоглюконової кислоти. Тому ПФШ називають також фосфоглюконатним. Далі фосфоглюконатдегідрогеназа каталізує одночасне дегідру­вання і декарбоксилювання 6-фосфоглюконату. Перший атом вуглецю гексозофосфату звільняється у вигляді СО₂. Утворюються пентоза (рибулозо-5-фосфат) і друга молекула НАДФ. Ці три реакції окисної стадії незворотні.

Неокисна стадія ПФШ включає зворотні реакції ізомеризації пентоз і переходу їх у фруктозо-6-фосфат (рис. 24). Перетворення здійснюються через проміжні сполуки – гептозу (седогептулозо-7-фосфат), тетрозу (еритрозо-4-фосфат), тріозу (гліцеральдегід-3-фосфат) – під дією ферментів транскетолази і трансальдолази, які каталізують реакції перенесення, відповідно дво- і тривуглецевого фрагмента з одного вуглеводу на інший. Коферментом транскетолази є тіаміндифосфат. Утворений фруктозо-6-фосфат перетворюється в глюкозо-6-фосфат або розпадається шляхом гліколізу. Таким чином, ПФШ може переходити в гліколітичний. Так здійснюється утилізація пентоз, утворених в окисній стадії ПФШ, і рибозо-5-фосфату, утвореного при розпаді нуклеїнових кислот.

Реакції неокисної стадії ПФШ перебігають і у зворотньому напрямку. Завдяки цьому пентози можуть синтезуватись із глюкози не через окисну стадію ПФШ, а із проміжних продуктів гліколізу – фруктозо-6-фосфату і гліцеральдегід-3-фосфату. Сумарний перехід п'яти молекул фруктозо-6-фосфату дасть шість молекул рибозо-5-фосфату. Такий напрямок реакцій неокисної стадії ПФШ має місце в тканинах, в яких потреба в пентозах більша, ніж потреба в НАДФН.

Фізіологічне значення пентозофосфатного шляху

Пентозофосфатний  шлях  окислення глюкози має важливе  фізіологічне значення для функціонування інших анаболічних (біосинтетичних) механізмів, а саме:

1) за рахунок функціонування пентозофосфатного шляху метаболізму глю-кози в організмі утворюється приблизно половина пулу НАДФН (решта — в  результаті дії НАДФ-залежних ізоцитратдегідрогенази та малатдегідрогенази),що використовується у відновлювальних синтезахжирних кислот та стероїдів;

2) пентозо-фосфатний шлях є постачальником рибозо-5-фосфату, якийвикористовується для утворення нуклеотидів нуклеїнових кислот ДНК та РНК, коферментних біомолекул НАД (НАДФ), ФАД, АТФ, КоА, циклічних нуклеотидів 3',5'-АМФта 3',5'-ГМФ; У зв’язку із зазначеними біохімічними функціями, реакції пентозофосфатного шляху найбільш активно перебігають у тканинах із вираженим анаболізмом, у клітинах яких найбільш інтенсивно відбуваються синтези ліпідів, вільних нуклеотидів та нуклеїнових кислот — у жировій тканині, печінці, молочній залозі в період лактації, корі надниркових залоз, сім’яниках. У тканинах з переважанням окислювального метаболізму, зокрема скелетних м’язах, реакції пентозофосфатного шляху перебігають на дуже низькому рівні. Оскільки при циклічному функціонуванні пентозофосфатного шляху основним продуктом усього процесу є саме генерація НАДФН, ПФШ має характер метаболічного циклу   в адипоцитах жирової тканини, де головноюйогофункцієюєсамегенераціявідновлювальнихеквівалентівдлясинтезуліпідів (тобто існує переважання потреб в НАДФН над потребами в пентозо-фосфатах). У решті клітині з високим анаболічним потенціалом (де відбувається активний синтез як ліпідів, так і нуклеотидів) — тканини із збалансованими потребами в НАДФН та пентозофосфатах — пентозофосфатний шлях або закінчується на окислювальнійстадії, або переходить в гліколітичний шлях окислення глюкози на етапі утворення тріозофосфатів;

3) пентозофосфатний шлях активно функціонує в еритроцитах людини. Біологічне значення функціонування  ПФЦ у цих клітинах полягає в генерації НАДФН, що необхідний для протидії перекисному окисленню ненасичених жирних кислот фосфоліпідів еритроцитарних мембран, тобто для попередження гемоліз у еритроцитів. Спадкова недостатність глюкозо-6-фосфатдегідрогенази проявляється підвищеною схильністю еритроцитів хворих до гемолізу, особливо в разі прийомудеяких лікарських засобів (аспірину, сульфаніламідів, протималярійного препарату Примахіну). Такі ж порушення у пацієнтів із дефектом глюкозо-6-фосфатдегідрогеназиспричиняєспоживання бобів Vicia faba (“фавізм”) — захворювання, яким страждають мільйони населення в країнах Африки та Азії.

 

 

КАТАБОЛІЗМ ТА БІОСИНТЕЗ ГЛІКОГЕНУ

 

ГЛІКОГЕН – основний резервний полісахарид вищих тварин і людини, побудований із залишків α-D-глюкози. Його роль є аналогічною до ролі крохмалю в клітинах рослин. Глікоген міститься в усіх органах і тканинах тварин і людини, а також у невеликих кількостях у бактеріях і рослинах. Найбільша кількість його виявлена в печінці (близько 7% загальної маси органу) і скелетних м’язах.

Молекули глікогену мають розгалужену структуру і складаються із залишків α-D-глюкози, з’єднаних 1-4- та 1-6-глікозидними зв’язками (рис. 1).

Рис. 1. Структура молекули глікогену

У молекулі глікогену розрізняють внутрішні гілки – ділянки поліглюкозидних ланцюгів між точками розгалуження, і зовнішні гілки – ділянки від периферичної точки розгалуження до нередукуючого кінця ланцюга (рис. 2).

Рис. 2. Будова молекули глікогену (за Майєром): білі кільця – залишки глюкози, з’єднані α-(1→4)-зв’язком; чорні кільця – залишки глюкози, з’єднані за допомогою α-(1→6)-зв’язку (місця розгалуження); R – редукуюча кінцева група.

 

Через кожні 8-10 мономерних залишків відбувається галуження, бічні гілки приєднані (α1→6)-зв’язками. Таким чином молекула глікогену значно більш компактна і розгалужена ніж крохмалю. Ступінь полімеризації близький до такого в амілопектину.

Всі розгалуження глікогену мають нередукуючі кінці, отже якщо кількість гілок рівна n, то у молекулі буде n-1 нередукуючих кінців і всього один редукуючий. Коли відбувається гідроліз глікоген з метою використання його в якості джерела енергії, залишки глюкози по одному відщеплюються від нередукючих кінців. Їх велика кількість дозволяє суттєво прискорити процес. Найбільш стабільною конформацією гілок із (α1→4)-зв’язками є щільна спіраль із шістьма залишками глюкози на оберт (площина кожної молекули повернута на 60° відносно попередньої).

Для виконання своєї біологічної функції – забезпечення максимально компактного зберігання глюкози та одночасно можливості її швидкої мобілізації, глікоген повинен мати будову оптимізовану за кількома параметрами:

1) кількістю ярусів (рівнів) галуження;

2) кількістю гілок у кожному ярусі;

3) кількістю залишків глюкози у кожній гілці.

 

Для молекули глікогену із сталим числом мономерних ланок кількість зовнішніх гілок, з яких може мобілізуватись глюкоза до точки галуження, падає із зростанням середньої довжини кожної гілки. Щільність найбільш зовнішніх гілок стерично обмежена, через це максимальний розмір молекули глікогену зменшується із збільшенням кількості гілок на одному рівні. Зрілі молекули глікогену різного походження мають в середньому 12 ярусів галуження, на кожному із яких розміщується в середньому по дві гілки, кожна зі яких містить близько 13 залишків глюкози. Математичний аналіз показав, що така будова дуже близька до оптимальної для мобілізації максимальної кількості глюкози за мінімальний час.

Поширення і значення глікогену

Глікоген є формою запасання глюкози у тварин, грибів, деяких бактерій (зокрема ціанобактерій) та арехей. У мікроорганізмів глікоген більш менш рівномірно розкиданий по цитоплазмі клітини у вигляді гранул діаметром 20–100 нм, їх зазвичай можна побачити тільки через електронний мікроскоп. Якщо клітина містить багато глікогену вона стає червоно-коричневою при зафарбовуванні розчином йоду.

У гепатоцитах глікоген зберігається у вигляді великих цитоплазматичних гранул. Елементарна так звана β-частинка, що є однією молекулою глікогену, має діаметр близько 21 нм і включає до 55 000 залишків глюкози та має 2000 нередукуючих кінців. 20-40 таких часточок разом утворюють α-розетки, які можна бачити у під мікроскопом у тканинах тварин, яких добре годують. Проте вони зникають після 24-годинного голодування. Глікогенові гранули – це складні агрегати, до складу яких крім самого глікогену входять ферменти, що синтезують і розщеплюють його, а також регуляторні молекули (рис. 3).

Глікоген у м’язах слугує джерелом швидкої енергії як за аеробного, так і за анаеробного метаболізму. Його запаси можуть бути вичерпані за одну годину інтенсивного фізичного навантаження.\

 

 

Рис. 3. Гранули глікогену у м’язовій клітині

 

Глікоген у м’язах слугує джерелом швидкої енергії як за аеробного, так і за анаеробного метаболізму. Його запаси можуть бути вичерпані за одну годину інтенсивного фізичного навантаження. Регулярне тренування дозволяє збільшити запаси глікогену в м’язах, внаслідок чого вони можуть довше працювати без втоми. У печінці глікоген є резервом глюкози для інших органів, на той випадок, якщо її надходження із їжею обмежене. Особливо важливий такий запас для нейронів, які не можуть використовувати в якості енергетичного субстрату жирні кислоти. Печінковий запас глікогену під час голодування вичерпується за 12-24 годин.

Норма глікогену в крові – 16,2 – 38,7 мг/л. Підвищення концентрації глікогену в крові спостерігають при інфекційних захворюваннях, хворобах крові, що супроводжуються лейкоцитозом, діабеті, новоутвореннях. Зниження концентрації глікогену характерне для дітей з гострими гепатитами. Важливе клінічне значення має цитохімічне визначення рівня глікогену в клітинах крові, кісткового мозку та печінці.

 

Обмін глікогену

Синтез глікогену

Для синтезу полісахаридних ланцюгів глікогену глюкозо-6-фосфат повинен спочатку перетворитись у більш реакційноздатну форму – уридиндифосфатглюкозу (УДФ-глюкозу), яка є безпосереднім донором ­залишків глюкози в процесі синтезу. УДФ-глюкоза утворюється за дві реакції.

1. Перетворення глюкозо-6-фосфату у глюкозо-1-фосфат під дією фосфоглюкомутази:

2. Взаємодія глюкозо-1-фосфату з уридинтрифосфатом (УТФ), що каталізується глюкозо-1-фосфатуридилтрансферазою (УДФ-глюкозопірофосфорилазою):

Пірофосфат (ФФ_н) відразу ж гідролізується пірофосфатазою до двох молекул неорганічного фосфату, тому реакція йде у напрямку незворотного утворення УДФ-глюкози.

Далі залишок глюкози з УДФ-глюкози переноситься на кінець уже існуючої молекули глікогену. Реакцію каталізує глікогенсинтаза, яка відноситься до трансфераз, а не до синтетаз. У цій реакції утворюється новий альфа-1,4-глікозидний зв’язок між першим атомом вуглецю залишку глюкози, який приєднується, і гідроксилом у С-4 кінцевого залишку глюкози ланцюга глікогену:

УДФ-глюкоза + (глюкоза)_n  ® УДФ + (глюкоза)_n+1

УДФ, який вивільняється, перетворюється знову в УТФ за рахунок АТФ (УДФ + АТФ ® УТФ + АДФ). Реакція багаторазово ­повторюється.

При відсутності у клітинах молекул глікогену, наприклад, коли внаслідок голодування запаси його повністю вичерпані, залишок глюкози із УДФ-глюкози переноситься на гідроксильну групу специфічного білка з подальшим нарощуванням вуглеводного ланцюга. Тому молекули глікогену містять сліди білка.

Утворення альфа-1,6-глікозидних зв’язків, які знаходяться у місцях розгалуження глікогену, каталізує фермент глікозил-(4®6)-трансфераза (фермент розгалужень). Це відбувається шляхом відриву фрагмента із 5–7 залишків глюкози із кінця лінійного ланцюга і перенесення його на гідроксил 6‑го вуглецю залишку глюкози,  розміщеного ближче до внутрішньої частини молекули (рис. 4).

Після цього глікогенсинтаза приєднує до ланцюгів нові залишки глюкози. Точки розгалужень утворюються приблизно через кожні 8–12 залишків вздовж альфа-1,4-ланцюга.

Така сильно розгалужена структура глікогену має важливе значення. По-перше, вона забезпечує наявність великої кількості кінців у молекулі, що забезпечує швидке  приєднання чи звільнення молекул глюкози. Тому сильно розгалужена структура глікогену вигідніша, ніж менш розгалужена структура крохмалю.

Рис. 4. Схема дії глікозил-(4→6)-трансферази

 

І, по-друге, цим досягається компактність, щільність упаковки молекул, які депонуються у клітинах у вигляді гранул діаметром 20 мкм. Із гранулами зв’язані ферменти синтезу й розпаду глікогену. Молекулярна маса молекул значно коливається (10⁵-10⁸).

Основні запаси глікогену в організмі містяться в скелетних м’язах і печінці. Вміст у печінці складає 2-8 % маси органа і залежить від регулярності харчування і фізичного навантаження. Концентрація глікогену в скелетних м’язах, що знаходяться у стані спокою, – тільки 0,5-1 %, але із-за великої маси м’язів більша частина глікогену тіла знаходиться в них. У середньому у дорослої людини після споживання їжі міститься в печінці близько 100 г глікогену, а в м’язах (стан спокою) – 400 г. Глікоген м’язів служить джерелом енергії під час скорочення м’язів, а функція глікогену печінки – підтримувати постійність концентрації глюкози в крові. Кількісні показники вмісту глікогену в органах дорослої людини наведені в таблиці 1.

 

Таблиця 1. Вміст глікогену та глюкози в організмі людини (масою 70 кг, після споживання їжі)

Примітки:  1 – маса печінки – 1,8 кг;

  2 – маса м’язів – 35 кг;

  3 – загальний об’єм екстрацелюлярної рідини – 10 л.

 

Катаболізм глікогену

Глікогеноліз. Запасним полісахаридом в тканинах людини є глікоген.

Процес розпаду глікогену називається глікогенолізом. Цей процес може здійснюватися або шляхом гідролізу, або фосфоролізу.

 

 

Фосфороліз є основним шляхом розпаду глікогену, його каталізує фермент глікогенфосфорилаза, що відноситься до класу трансфераз.

Глікогенфосфорилаза відщеплює залишки глюкози з нередукуючого кінця глікогену (рис. 5) і переносить їх на молекулу фосфорної кислоти з утворенням глюкозо-1-фосфату:

Глюкозо-1-фосфат швидко ізомеризується, перетворюючись на глюкозо-6-фосфат, який у печінці гідролізується фосфатазами до глюкози і фосфорної кислоти:

 

Процес фосфоролізу глікогену тонко регулюється. Регуляція активності глікогенфосфорилази носить каскадний характер, в якому можна виділити кілька видів регуляції ферментативної активності:

1) гормональна (глюкагон в печінці, адреналін у м’язах);

2) алостерична;

3) протеїнкіназні реакції (в даному випадку – фосфорилювання бічного радикалу серину в глікогенфосфорилазі).

Активність м’язової фосфорилази збільшується при певній концентрації АМФ і ацетилхоліну, а також у присутності катіонів кальцію і натрію. Зниження швидкості фосфоролізу відбувається при зменшенні запасів глікогену і фосфорної кислоти, а також при збільшенні концентрації глюкозо-6-фосфату. Механізми, що знижують швидкість фосфоролізу глікогену, захищають організм від великих витрат вуглеводних запасів (глікогену), які могли б призвести до нестачі глюкози, необхідної для роботи головного мозку і серцевого м’яза.

Гідроліз глікогену каталізується ферментами амілазами, які відносяться до класу гідролаз. В результаті гідролізу глікоген розщеплюється до вільної глюкози:

 

 

Гідролітичний розпад глікогену відбувається, як правило, в печінці. Глюкоза, отримана при фосфоролізі і гідролізі глікогену, поступає у різні тканини і органи організму, де піддається подальшому розпаду. Таким чином, глікоген печінки служить джерелом глюкози для всього організму, а глікоген м’язів, мозку розпадається до глюкозо-6-фосфату, який використовується у цих тканинах.

 

Спадкові порушення обміну глікогену

Відомі спадкові хвороби, пов’язані з дефектом якогось одного із ферментів обміну глікогену. Їх називають глікогенозами, чи глікогеновими хворобами.

Глікогенози – спадкові хвороби, молекулярною основою виникнення яких є уроджена недостатність синтезу певних ферментів глікогенолізу, пов’язана з дефектами в генетичній системі клітин. При глікогенозах у внутрішніх органах та тканинах (здебільшого в печінці, м’язах, клітинах крові) спостерігається накопичення аномально надмірної кількості глікогену, іноді зі зміненою молекулярною структурою, який не може використовуватися у метаболічних процесах. Клінічно глікогенози проявляються важкою гіпоглюкоземією внаслідок нездатності глікогену печінки розщеплюватися з вивільненням молекул глюкози.

Глікогенози, при яких ушкоджені ферментні системи мобілізації глікогену печінки, характеризуються збільшенням маси органа, жировою дистрофією гепатоцитів та явищами цирозу. Недостатність ферментних систем глікогенолізу в м’язах супроводжується судомами за умов фізичних навантажень.

Аглікогенози – спадкові хвороби накопичення глікогену, молекулярною основою яких є генетичні дефекти, що призводять до порушення утворення ферменту глікогенсинтази.

Внаслідок недостатності глікогенсинтази гепатоцити не здатні утворювати резерви глікогену, концентрація якого всередині клітин значно зменшена. Внаслідок відсутності глікогенових резервів хворі при аглікогенозах, як і при глікогенозах, страждають від глибокої гіпоглюкоземії, особливо натщесерце, після значної перерви з часу надходження харчової глюкози. Гіпоглюкоземія при аглікогенозах може супроводжуватися важкою комою внаслідок енергетичного голодування головного мозку. Такі хворі звичайно вмирають у ранньому дитячому віці.

 

Регуляція метаболізму глікогену

 

Глікоген є головною молекулярною формою запасання вуглеводів в організмі людини і тварин, що акумулюється у вигляді внутрішньоклітинних гранул, переважно в печінці та м’язах, під час травлення і витрачається в проміжках між прийомами їжі. Концентрація глікогену в гепатоцитах значно перевищує його концентрацію в клітинах м’язів, але, враховуючи загальну масу скелетних м’язів, в останніх зберігається більша частина тотального глікогену організму.

Завдяки наявності глюкозо-6-фосфатази, мобілізація глікогену печінки призводить до утворення вільної глюкози, що визначає функцію гепатоцитів у підтриманні рівня глікемії в умовах зменшення або відсутності абсорбції глюкози з кишечника. Вичерпання резервів глікогену печінки спостерігається у людини через 12-18 год після прийняття їжі; в цих умовах рівень глюкози в крові, необхідний для нормального функціонування інших тканин, насамперед головного мозку, підтримується за рахунок глюконеогенезу в печінці та нирках. На відміну від печінки, м’язи використовують глікогеноліз лише для покриття власних енергетичних потреб. Значне зменшення концентрації глікогену м’язів спостерігається лише після тривалої та виснажливої фізичної роботи.

Виходячи із зазначеного, в організмі повинні існувати регуляторні механізми, що контролюють координовані зміни процесів синтезу та розпаду глікогену в умовах змін у режимі харчування, переходу організму від стану спокою до активної діяльності.

Ключову роль у регуляції реакцій глікогенолізу та глікогенезу відіграють ключові ферменти розщеплення та синтезу глікогену глікогенфосфорилаза та глікогенсинтаза.

Глікогенсинтаза існує в неактивній фосфорильованій формі й активній нефосфорильованій формі. Навпаки, неактивна форма глікогенфосфорилази (фосфорилаза b) є нефосфорильованою, а активна форма, фосфорилаза a, фосфорильована(рис. 7).

 

 

 

 

Рис. 7. Перехід a та b форм глікогенфосфорилази між напруженою та розслабленою конформаціями

 

Реакцію фосфорилювання глікогенсинтази каталізує цАМФ-залежна протеїнкіназа, а фосфорилази – цАМФ-залежна кіназа фосфорилази b. Під час реакції фосфатна група переноситься із АТФ на гідроксильну групу двох залишків серину молекул глікогенсинтази і фосфорилази b. Ферменти фосфопротеїнфосфатази каталізують протилежну реакцію – відщеплюють фосфатні групи шляхом гідролізу, тобто переводять глікогенсинтазу і фосфорилазу в дефосфорильовану форму (рис. 8).

Підкреслимо,  що фосфорилювання зумовлює активацію фосфорилази й інактивацію глікогенсинтази, а дефосфорилювання – протилежні ефекти. Таким чином, якщо стимулюється синтез глікогену, то одночасно гальмується його розпад, і навпаки. Активність кіназ і фосфатаз, а значить, синтез і розпад глікогену, знаходяться під гормональним контролем. Синтез глікогену стимулює інсулін, а розпад – адреналін і глюкагон. Дія адреналіну і глюкагону опосередковується через вторинний посередник – цАМФ.

 

Рис. 8. Регуляція активності глікогенсинтази і глікогенфосфорилази шляхом ферментативного фосфорилювання і дефосфорилювання.

 

Зв’язування їх зі своїми рецепторами, локалізованими у клітинній мембрані, зумовлює активацію аденілатциклази, яка каталізує синтез цАМФ із АТФ (рис. 9). цАМФ активує протеїнкіназу.

Неактивна протеїнкіназа складається із двох каталітичних і двох регуляторних субодиниць. При підвищенні концентрації у клітині цАМФ він зв’язується з регуляторними субодиницями, що викликає розпад тетрамерної форми протеїнкінази. Звільнені каталітичні субодиниці протеїнкінази каталізують реакцію фосфорилювання кінази фосфорилази, що переводить її в активну форму і таким чином зумовлює утворення фосфорилази a. Одночасно каталітичні субодиниці протеїнкінази каталізують фосфорилювання глікогенсинтази, тим самим перетворюючи її в неактивну форму.

Рис. 9. Каскадний механізм дії гормонів:

R₁ – рецептор адреналіну, R₂ – рецептор глюкагону.

 

Багатостадійність передачі сигналу від гормону до фосфорилази, яка безпосередньо каталізує розпад глікогену, має важливе значення, оскільки в такому каскадному процесі досягається сильне і швидке підсилення сигналу. Так, зв’язування декількох молекул адреналіну ­зумовлює синтез більшої кількості молекул цАМФ, а далі кожна молекула ферменту активує велику кількість молекул наступного ферменту (протеїнкіназа  –  кіназа фосфорилази – фосфорилаза). Активність фосфорилази досягає ­максимуму вже через декілька хвилин після зв’язування адреналіну клітинами печінки, а підсилення сигналу складає близько 25 млн раз (декілька молекул гормону викликають надходження із печінки в кров декількох грам глюкози).

Послідовність реакцій, що призводить до інактивації глікогенсинтази, має на одну стадію менше, ніж послідовність активації фосфорилази (рис. 9). Тому підсилення гормонального сигналу більше у системі розпаду глікогену. Максимальна швидкість синтезу глікогену м’язів не перевищує 0,3 % максимальної швидкості глікогенолізу.

При припиненні секреції адреналіну чи глюкагону аденілатциклаза переходить в неактивний стан. Наявний цАМФ розпадається під дією фосфодіестерази до АМФ, і в результаті утворюється тетрамерна неактивна форма протеїнкінази. Фосфатази каталізують дефосфорилювання кінази фосфорилази, фосфорилази а і глікогенсинтази. Таким чином, виключається розпад глікогену і стає можливим його синтез.

Адреналін стимулює розпад і гальмує синтез глікогену в печінці, скелетних м’язах, міокарді. Секреція його у стресових ситуаціях зумовлює вивільнення глюкози із печінки в кров для постачання інших органів, а в м’язах – розпад глікогену до молочної кислоти з виділенням енергії, що забезпечує швидке зростання м’язової активності. Глюкагон стимулює розпад глікогену печінки, але не впливає на глікоген м’язів. Секретується підшлунковою залозою при зниженні концентрації глюкози в крові.

Гормон підшлункової залози інсулін стимулює надходження глюкози в клітини і синтез глікогену. Механізми його дії ще до кінця не з’ясовані. Одним із них є активація інсуліном фосфодіестерази цАМФ, що приводить до зниження внутрішньоклітинного рівня цАМФ, у результаті стимулюється утворення неактивної фосфорилази й активної глікогенсинтази. У гепатоцитах інсулін підвищує активність глюкокінази.

Існує ряд додаткових способів регуляції активності ферментів розпаду і синтезу глікогену:

1. Неактивна фосфорилаза b м’язів може активуватись без фосфорилювання, тобто не перетворюючись у фосфорилазу а. Це здійснюється шляхом зв’язування в алостеричному центрі фосфорилази b АМФ. Алостеричній активації фосфорилази b із АМФ перешкоджає АТФ. У стані м’язового спокою, коли концентрація АТФ значно більша, ніж АМФ, фосфорилаза знаходиться в неактивній b-формі. Під час роботи м’язів концентрація АТФ знижується, а зростає концентрація АМФ, що зумовлює активацію фосфорилази b і, в результаті, розщеплення глікогену для синтезу АТФ. Але швидке і значне збільшення швидкості глікогенолізу в м’язах відбувається тільки у результаті перетворення фосфорилази b у фосфорилазу а.

2.   Кіназа фосфорилази м’язів також може переходити в активну форму без фосфорилювання. Активатором служать іони кальцію, концентрація яких в саркоплазмі різко зростає у відповідь на нервовий імпульс, який зумовлює скорочення м’язів.

3. Неактивна фосфорильована форма глікогенсинтази активується алостерично глюкозо-6-фосфатом. При наявності достатньо високої концентрації глюкозо-6-фосфату фосфорильований фермент проявляє майже таку активність, як дефосфорильований.

4. Провідну роль у регуляції метаболізму глікогену в печінці відіграє концентрація глюкози. Її високий вміст викликає перехід фосфорилази а у фосфорилазу b й утворення активної глікогенсинтази, що приводить до зупинки розпаду глікогену і стимуляції його синтезу. При зниженні концентрації глюкози синтез глікогену пригнічується і починається його розпад.

 

Глюконеогенез

Головном джерелом глюкози як метаболічного палива для організму людини є її надходження з харчовими продуктами у вигляді полісахариду крохмалю та сахарози. Надлишок глюкози, шо не використовується в окислювальних реакціях аеробного та анаеробного гліколізу, відкладається у вигляді енергетичних депо – глікогену та триацилгліцеролів. Втім, існують метаболічні шляхи, що забезпечують організм глюкозою за рахунок її синтезу з невуглеводних біомолекул.

Глюконеогенез – це процес синтезу глюкози з невуглеводних субстратів. Такими попередниками глюкози є лактат, піруват, більшість амі­нокислот, гліцерин, проміжні продукти циклу лимонної кислоти.

Відбувається глюконеогенез у печінці й, невеликою мірою, в кірковій речовині нирок. Завдяки цьому процесу підтримується концентрація глюкози в крові після того, як вичерпаються запаси глікогену при вуглеводному чи повному голодуванні. Надзвичайно важливе значення глюконеогенезу для організму тварин і людини зумовлюється тим, що мозок має дуже малі запаси глікогену і глюкоза крові служить основним джерелом енергії для нього. При зменшенні концентрації глюкози в крові нижче певної критичної межі порушується функціонування мозку і може настати смерть. Механізм глюконеогенезу також забезпечує видалення з крові таких продуктів тканинного метаболізму, як лактат і гліцерин.

Процес зворотний до гліколізу, але три реакції гліколізу є фактично незворотними, тому глюконеогенез включає 7 гліколітичних реакцій, які мають зворотний напрямок, і три обхідні стадії (рис. 10).

Обхідні реакції каталізуються іншими ферментами і є також незворотними, але вони йдуть у напрямку синтезу глюкози.

Перша незворотна стадія – перетворення пірувату у фосфоенол­піруват, сполуку з макроергічним зв’язком. Здійснюється воно через проміжну речовину – оксалоацетат. Спочатку мітохондріальний фермент піруваткарбоксилаза каталізує АТФ-залежне карбоксилювання пірувату:

Алостеричним активатором піруваткарбоксилази служить ацетил-КоА. Як розглянуто раніше, піруваткарбоксилазна реакція також постачає оксалоацетат для циклу лимонної кислоти.

Рис. 10. Глюконеогенез і гліколіз:

ГА-3-Ф – гліцеральдегід-3-фосфат; ДОАФ – діоксіацетонфосфат.

У глюконеогенезі оксалоацетат під дією фосфоенолпіруват-карбо­ксикінази перетворюється у фосфоенолпіруват:

Одночасно відбуваються декарбоксилювання і фосфорилювання. ГТФ, який використовується в цій реакції, регенерується шляхом взаємодії ГДФ з АТФ. Таким чином, на перетворення пірувату у фосфоенолпіруват витрачаються 2 молекули АТФ, тоді як у процесі гліколізу при перетворенні фосфоенолпірувату в піруват синтезується тільки 1 молекула АТФ. Труднощі викликає різна локалізація ферментів у клітині. Фосфоенолпіруват-карбоксикіназа знаходиться в цитоплазмі, а оксалоацетат, який утворюється в мітохондріях, не проникає через мітохондріальну мембрану. Тому оксалоацетат відновлюється в матриксі мітохондрій під дією ферменту циклу Кребса малатдегідрогенази до малату, який може виходити з мітохондрій. Цитоплазматична малатдегідрогеназа окиснює малат назад в оксалоацетат.

Утворений фосфоенолпіруват далі переходить за допомогою зворотних реакцій гліколізу у фруктозо-1,6-дифосфат. На етап перетворення 3-фосфогліцерату в 1,3-дифосфогліцерат затрачається одна молекула АТФ.

Фосфофруктокіназна реакція гліколізу фруктозо-6-фосфат – фруктозо-1,6-дифосфат незворотна, тому інший фермент (фруктозо-­дифосфатаза) каталізує гідроліз фруктозо-1,6-дифосфату до фруктозо-6-фосфату. Вивільняється неорганічний фосфат, а енергія макроергічного фосфодіефірного зв’язку виділяється у вигляді тепла.

У наступній зворотній реакції фруктозо-6-фосфат перетворюється в глюкозо-6-фосфат, який в обхідній реакції під дією глюкозо-6-фосфатази гідролізується до вільної глюкози. Крім того, глюкозо-6-фосфат може використовуватись для синтезу глікогену.

 

Таким чином, на синтез глюкози з пірувату затрачається значно більше енергії, ніж її утворюється під час гліколізу (шість молекул АТФ проти двох).

Для синтезу глюкози шляхом глюконеогенезу використовуються проміжні продукти циклу лимонної кислоти, які перетворюються в циклі в оксалоацетат. Фактичними субстратами є амінокислоти, які після втрати аміногруп стають проміжними продуктами циклу Кребса та піруватом. Такі амінокислоти називаються глюкогенними. Глюконеогенез з амінокислот інтенсивно відбувається при голодуванні та цукровому діабеті. Крім того, в цих умовах розпадаються жири жирової тканини, причому жирні кислоти застосовуються як джерело енергії в м’язах, печінці й інших тканинах, а гліцерин у печінці шляхом глюконеогенезу переходить у глюкозу.

Іншим важливим субстратом глюконеогенезу є молочна кислота, яка накопичується в організмі під час інтенсивної м’язової роботи внаслідок анаеробного розпаду глікогену. У період відновлення після напруженої роботи молочна кислота переноситься кров’ю з м’язів до печінки, де під дією лактатдегідрогенази окиснюється до пірувату. Частина останнього використовується для глюконеогенезу, а частина розпадається аеробним шляхом, забезпечуючи процес глюконеогенезу АТФ. Глюкоза потрапляє назад у скелетні м’язи і застосовується для відновлення запасу глікогену. Поєднання процесу анаеробного гліколізу в скелетних м’язах і глюконеогенезу в печінці називається циклом Корі й зображене на рис. 11. 

Молочна кислота утворюється постійно в еритроцитах, мозковій частині нирок, сітківці ока, а в печінці й корі нирок переходить у глюкозу, яка повинна знову надходити в названі клітини і використовуватись. Молочна кислота утворюється постійно в еритроцитах, мозковій частині нирок, сітківці ока, а в печінці й корі нирок переходить у глюкозу, яка повинна знову надходити в названі клітини і використовуватись.

 

Рис. 11. Взаємозв’язок гліколізу і глюконеогенезу (цикл Корі)

 

Таким чином, ця кислота, на відміну від глюкогенних амінокислот, не служить попередником для глюкози крові, що могла б використовуватись у мозку і нервах при голодуванні.

 

Регуляція глюконеогенезу

У клітинах печінки здійснюється координована регуляція гліколізу і глюконеогенезу відповідно до фізіологічних потреб усього організму. Система контролю включає субстрати і проміжні продукти процесів, регуляторні ферменти та їх ефектори, гормони. Підкреслимо, що регуляторними ферментами глюконеогенезу і гліколізу є ті, що каталізують незворотні реакції і не беруть участі у протилежному процесі. ­Наприклад, піруваткарбоксилаза (активатор – ацетил-КоА) і фруктозодифосфатаза – (активатор – цитрат, інгібітори – АМФ і фруктозо-2,6-дифосфат). На рис. 12 показані регуляторні пункти гліколізу і глюконеогенезу та контрольні чинники.

 

Рис. 12. Регуляція гліколізу і глюконеогенезу в печінці

 

Деякі ефектори одночасно впливають на активність регуляторних ферментів в обох процесах. Так, ацетил-КоА служить активатором піруваткарбоксилази і інгібітором піруваткінази. Крім того, ацетил-КоА є інгібітором піруватдегідрогеназного комплексу і, сповільнюючи розпад пірувату до ацетил-КоА, сприяє переходу пірувату в глюкозу. АМФ інгібує фруктозо-дифосфатазу і разом з тим активує відповідний фермент гліколізу – фосфофруктокіназу. Навпаки, цитрат – активатор фосфатази й інгібітор кінази.

Глюконеогенез стимулюється не тільки активаторами піруваткарбоксилази і фруктозодифосфатази, а й інгібіторами регуляторних ферментів гліколізу (АТФ, аланін, жирні кислоти). Таким чином, коли в клітині є достатня концентрація палива для циклу лимонної кислоти (ацетил-КоА, оксалоацетату, цитрату, жирних кислот, аланіну) чи висока концентрація АТФ і низькі –АДФ та АМФ, посилюється біосинтез глюкози і гальмується гліколіз. У протилежній ситуації стимулюється гліколіз і гальмується глюконеогенез.

На глюконеогенез впливають такі гормони, як глюкагон й інсулін підшлункової залози та глюкокортикоїди кори надниркових залоз. При голодуванні глюкагон посилює розпад жирів у жировій тканині. Жирні кислоти надходять у печінку, де розпадаються до ацетил-КоА. Швидкість окиснення ацетил-КоА в циклі лимонної кислоти відстає від швидкості його утворення, і підвищений рівень ацетил-КоА в клітині активує піруваткарбоксилазу. В результаті посилюється глюконеогенез.

Глюкагон започатковує глюконеогенез ще одним способом – через фруктозо-2,6-дифосфат. Цей регуляторний компонент відкритий у 1980 р. Утворюється фруктозо-2,6-дифосфат із фруктозо-6-фосфату при дії фосфофруктокінази ІІ, а розщеплюється фруктозо-2,6-дифосфатазою:

Фруктозо-2,6-дифосфат активує фермент гліколізу фосфофрукто­кіназу і гальмує активність ферменту глюконеогенезу фруктозо-1,6-дифосфатази. Утворення фруктозо-2,6-дифосфату пригнічується глюкагоном, який шляхом цАМФ-залежного фосфорилювання інактивує фосфо­фруктокіназу ІІ й активує фруктозо-2,6-дифосфатазу. Таким чином, при голодуванні глюкагон знижує внутрішньоклітинну концентрацію фруктозо-2,6-дифосфату, що викликає стимуляцію глюконеогенезу і гальмування гліколізу. Підвищення швидкості глюконеогенезу в печінці призводить до того, що глюкоза надходить у кров і потрапляє в інші органи, насамперед у мозок.

Субстратами глюконеогенезу служать амінокислоти, оскільки під час голодування в крові низьке співвідношення інсулін/глюкагон гальмує синтез білків і стимулює їх катаболізм, зокрема в м’язах, що забезпечує постачання амінокислот у печінку. При тривалому голодуванні зростає секреція корою надниркових залоз глюкокортикоїдів, які посилюють у печінці синтез ферментів глюконеогенезу (фосфоенолпіруват-карбоксикінази, глюкозо-6-фосфатази) й амінотрансфераз – ферментів, які каталізують перетворення глюкогенних амінокислот у піруват і оксалоацетат. У м’язах та інших тканинах глюкокортикоїди гальмують синтез білків. У результаті стимуляції глюконеогенезу глюкокортикоїди збільшують концентрацію глюкози в крові й синтез глікогену в печінці. Інсулін протидіє стимулюючій дії глюкагону і глюкокортикоїдів на глюконеогенез.

 

РЕГУЛЯЦІЯ РІВНЯ Глюкози в крові

 

У нормі через декілька годин після їди концентрація глюкози в крові людини складає 3,33-5,55 ммоль/л. При споживанні вуглеводної їжі вона зростає до 8-9 ммоль/л, а через 2 год повертається до норми. Голодування протягом декількох діб майже не відбивається на рівні глюкози в крові.

Постійність концентрації глюкози дуже важлива з огляду на високу вірогідність порушення функцій головного мозку при гіпоглікемії. Це зумовлюється рядом обставин:

1) енергетичні потреби головного мозку забезпечуються тільки глюкозою (лише на пізній стадії голодування – кетоновими тілами);

2) запаси глікогену в головному мозку дуже незначні;

3) шляхом глюконеогенезу глюкоза в клітинах мозку не ­син­тезується;

4) глюкоза надходить із крові в клітини головного мозку шляхом незалежної від інсуліну дифузії за градієнтом концентрації, при гіпоглікемії надходження стає недостатнім для нормального функціонування мозку. Швидкий розвиток гіперглікемї також може зумовити порушення функцій мозку.

Рис. 13. Регуляція рівня глюкози в крові

 

Концентрація глюкози в крові залежить від рівноваги між надходженням її в кров і споживанням тканинами. Оскільки виведення глюкози з організму з сечею в нормі дуже незначне, то підтримка сталості концентрації у відносно вузьких межах за значних коливань надходження з їжею забезпечується процесами обміну в тканинах. Система регуляторних механізмів включає гормони інсулін, глюкагон, адреналін, глюкокортикоїди, а також взаємодії між тканинами (печінкою, м’язами, мозком тощо) (рис. 13).

Після споживання вуглеводної їжі підвищена концентрація глюкози в крові стимулює поглинання її тканинами. Швидкість надходження в клітини печінки, м’язів, мозку й інших тканин прямо пропорційна концентрації глюкози в позаклітинній рідині. Крім того, висока концентрація глюкози в циркулюючій крові стимулює секрецію b-клітинами підшлункової залози інсуліну, який підвищує проникність глюкози через клітинні мембрани скелетних м’язів, жирової тканини.

У клітинах інсулін стимулює утилізацію глюкози різними шляхами:

А. У печінці й м’язах синтезується глікоген (інсулін індукує синтез глюкокінази печінки, активує гексокіназу і глікогенсинтазу).

Б. У жировій тканині й печінці глюкоза перетворюється в жирні кислоти, які утворюють тканинні резерви у вигляді тригліцеридів жирової клітковини.

В. Для всіх органів і тканин у період травлення й абсорбції катаболізм глюкози служить основним джерелом енергії. Посилюються гліколіз і аеробний розпад глюкози до СО₂ і Н₂О. Так, після прийому їжі наближення дихального коефіцієнта до одиниці вказує на більшу інтенсивність окиснення глюкози. Величина катаболізму вуглеводів буде залежати від потреби організму в енергії. Крім того, в цей період високе відношення інсулін/глюкагон в крові стримує глюконеогенез. У результаті концентрація глюкози в крові наближається до норми, опускаючись іноді нижче вихідного рівня. Секреція інсуліну поступово припиняється.

При припиненні надходження вуглеводів їжі концентрація глюкози в крові протягом декількох днів майже не знижується завдяки двом процесам: розпаду глікогену печінки і глюконеогенезу. Зменшення концентрації глюкози в крові до нижньої межі норми ініціює виділення підшлунковою залозою глюкагону, який активує фосфорилазу печінки. Зростають розпад глікогену і вихід глюкози в кров. Розпад глікогену печінки підтримує нормальний рівень глюкози в крові не більше 24 год, але вже через 5-6 год після прийому їжі починається повільне підвищення глюконеогенезу із амінокислот і гліцерину, а через 24 год глюконеогенез перебігає з максимальною активністю. Разом із глюкагоном, який активує ферменти глюконеогенезу, включаються глюкокортикоїди, які стимулюють синтез ферментів глюконеогенезу в печінці й посилюють розпад білків у інших тканинах, що забезпечує процес глюконео­генезу субстратами. Внаслідок низького відношення в крові інсулін/глюкагон під час голодування глюкоза не захоплюється печінкою, скелетними м’язами, міокардом, жировою тканиною. Перераховані чинники забезпечують в умовах голодування надходження глюкози в головний мозок у необхідній кількості. При тривалому голодуванні головний мозок, як і інші тканини, використовує як джерело енергії кетонові тіла.

Крім глюкагону і глюкокортикоїдів, концентрацію глюкози в крові підвищує ще ряд гормонів. Адреналін – гормон мозкової частини надниркових залоз – виділяється в стресових ситуаціях і через каскадний механізм викликає швидкий і сильний розпад глікогену печінки до вільної глюкози. Підвищенням рівня глюкози в крові супроводжується дія гормону росту, адренокортикотропіну, тироксину. Таким чином, концентрацію глюкози в крові знижує тільки інсулін, а підвищує ряд гормонів. Існування групи надійних дублюючих механізмів підкреслює той факт, що най­ближчі результати гіпоглікемії небезпечніші, ніж наслідки гіперглікемії.

Узгоджена дія різних гормонів зумовлює досконалість регуляції ­гомеостазу глюкози, забезпечує пристосування обміну вуглеводів у ­всьому організмі до змін харчування, фізичної активності й інших фізіологічних умов.

Підвищена концентрація глюкози в крові внаслідок споживання вуглеводної їжі (аліментарна гіперглікемія) і внаслідок стресу (емоційна гіперглікемія) швидко знижується до норми. Стійка гіперглікемія може розвинутись при цукровому діабеті, який виникає в результаті абсолютної чи відносної недостатності інсуліну. Інші причини гіперглікемії – надлишкова секреція гормону росту, глюкокортикоїдів, іноді ураження ЦНС, порушення мозкового кровообігу, захворювання печінки, підшлункової залози.

Гіперглікемію при цукровому діабеті можна розглядати як корисне пристосування, яке сприяє використанню глюкози клітинами мозку, міокарда, еритроцитами, тобто інсулінонезалежними тканинами. Однак у скелетні м’язи, печінку та інші інсулінозалежні тканини глюкоза не надходить. При високій концентрації глюкози в крові підвищується швидкість зв’язування її з білками (глікозилювання білків), що зумовлює порушення їх функцій, тому тривала гіперглікемія викликає ряд віддалених ускладнень цукрового діабету.

ЦУКРОВИЙ ДІАБЕТ

 

Цукровий діабет – ендокринна хвороба, що характеризується генетично детермінованим абсолютним або відносним дефіцитом гормону підшлункової залози інсуліну. В основі розвитку цукрового діабету лежить зниження продукції інсуліну в α-клітинах острівкового (інсулярного) апарату підшлункової залози або нездатність відповідних клітинних рецепторів реагувати на інсулін.

Відповідно до зазначеного розрізняють:

– інсулінозалежний цукровий діабет (ІЗЦД), який розвивається внаслідок руйнування значної кількості (звичайно більше 90 %) секретуючих інсулін α‑клітин. Причиною деструкції α-клітин є генетично зумовлений автоімунний процес. ІЗЦД складає 10-15 % всіх випадків цукрового діабету і проявляється гіперглікемією та схильністю до кетонемії та кетоацидозу. Ця форма цукрового діабету розвивається звичайно в ранньому віці (до 30 років), найчастіше у дітей та підлітків;

– інсулінонезалежний цукровий діабет (ІНЗЦД) – форма цукрового діабету, за якого у більшості хворих зберігаються â-клітини в інсулярній частині підшлункової залози, але порушені специфічні реакції клітин на дію інсуліну або регуляція його секреції під впливом збільшеної концентрації глюкози крові. ІНЗЦД розвивається звичайно у дорослих (старше 30 років) та осіб похилоговіку і проявляється гіперглікемією та ожирінням.

При діагностиці цукрового діабету кров для аналізу краще брати після голодування протягом хоча б 10 год. Концентрація глюкози в плазмі крові, взятої натщесерце, вища за 8 ммоль/л, свідчить про вірогідність цукрового діабету. З метою оцінки рівня глюкози в крові використовують глюкометри – індивідуальні прилади для визначення рівня цукру у крові  в амбулаторних умовах (рис. 15). Глюкометри випускають різноманітні фірми, проте їх принцип дії  однаковий.

Рис. 15. Визначення рівня цукру в крові за допомогою глюкометра у хворих на цукровий діабет

 

За допомогою одноразових голочок пацієнт проколює собі палець, краплю крові поміщає на тест-смужку, чекає кілька секунд і поміщає її у глюкометр, незабаром на екрані висвітлюються показники глікемії. Глюкометр незамінний для людей, які страждають на цукровий діабет, яким необхідно регулярно проводити діагностичні дослідження і, звичайно, робити це вдома набагато комфортніше, ніж стояти в чергах у поліклініці, щоб один раз на тиждень вимірювати рівень цукру в крові. Завдяки глюкометру можна дізнатися, як змінюється рівень цукру протягом всього дня і за різних обставин.

Якщо концентрація глюкози знаходиться в межах 6‑8 ммоль/л, то досліджують кров після цукрового навантаження (дають випити 75 г глюкози, розчиненої у воді). Концентрація через 2 год після навантаження 10 ммоль/л і вище вказує на цукровий діабет, а концентрація від 8 до 10 ммоль/л – на знижену толерантність до глюкози. У частини осіб із порушеною толерантністю до глюкози можливий розвиток діабету.

У хворих на цукровий діабет глюкоза може виділятись із сечею, зокрема після споживання їжі, при тяжких формах хвороби і під час голодування. Саме глюкозурія послужила основою для назви захворювання.

У сечі здорових людей концентрація глюкози дуже низька, менша 0,8 ммоль/л (150 мг/л), оскільки клітини проксимальних відділів ниркових канальців майже повністю реабсорбують глюкозу з первинної сечі. Такий низький рівень глюкози в сечі виявляється лише високочутливими методами. Коли концентрація глюкози в плазмі крові й клубочковому фільтраті перевищує 10 ммоль/л, реабсорбційна здатність ниркових канальців стає недостатньою і певна кількість глюкози виділяється із сечею. Гіперглікемічна глюкозурія спостерігається не тільки при цукровому діабеті, а й при всіх захворюваннях, які супроводжуються рівнем гіперглікемії, вищим за нирковий поріг. Але в ряді випадків глюкозурія не розвивається, хоч вміст глюкози в плазмі крові перевищує нирковий поріг. Це спостерігається тоді, коли об’єм клубочкового фільтрату малий, загальна кількість глюкози, що надходить у ниркові канальці, низька і повністю реабсорбується.

Глюкозурія може бути і за нормальної чи дещо підвищеної концентрації глюкози в плазмі крові, якщо виникає дефект мембрано­транспортного механізму в канальцях (ниркова глюкозурія). У даному випадку нирковий поріг знижений. Ниркова глюкозурія спостерігається іноді при вагітності, спадковій недостатності проксимальних відділів ниркових канальців, дії на клітини проксимальних канальців токсичних речовин (важких металів, органічних розчинників тощо)

Гіпоглікемія виникає при таких патологічних станах:

1) надмірно високому вмісті інсуліну внаслідок пухлин чи гіперплазії клітин острівців підшлункової залози;

2) гіпофункції надниркових залоз;

3) гіпофункції гіпофіза;

4) багатьох типах злоякісних пухлин, локалізованих поза підшлунковою залозою;

5) тяжких ураженнях печінки, нервової системи, шлунка і кишечника;

6) у ранньому дитячому віці при спадкових порушеннях обміну вуглеводів – галактоземії, непереносимості фруктози, деяких типах глікогенозів.

Крім того, гіпоглікемію можуть спричиняти деякі ліки, споживання значної кількості алкоголю. Найпоширенішими в клінічній практиці є гіпо­глікемії, викликані надмірним введенням інсуліну хворим на цукровий діабет, а також прийомом ряду інших лікарських середників. Гіпоглікемію, зумовлену надмірним введенням інсуліну чи високою продукцією ендогенного інсуліну, діагностують шляхом визначення вмісту інсуліну. Симптоми гіпоглікемії розвиваються, коли концентрація глюкози в плазмі крові стає нижчою 2,5 ммоль/л (45 мг/дл). Спостерігаються запаморочення, корчі та інші неврологічні порушення аж до гіпоглікемічної коми. Прояви посилюються при значному фізичному навантаженні чи при тривалих перервах між споживанням їжі.