Пул глюкозы в организме, поступление глюкозы в клетки

Классификация и биологическая роль углеводов

О Б М Е Н У Г Л Е В О Д О В

СИНТЕЗ ГЛИКОГЕНА

Гликоген синтезируется в период пищеварения (через 1-2ч после приема углеводной пищи). Этот процесс протекает с затратой энергии. Глюкоза, поступающая в клетку, фосфорилируется при участиии АТФ до глюкозо-6-фосфата (эта же реакция является и

первой стадией гликолиза). Реакция катализируется в мышцах гексокиназой, в печени – глюкокиназой. Далее глюкозо-6фосфат превращается в глюкозо-1-фосфат под действием фермента фосфоглюкомутазы. Данная реакция является обратимой и слабо контролируемой, поэтому необходима дополнительная стадия образования УДФ глюкозы из УТФ и глюкоз-1 фосфата. УДФ-глюкоза, далее используется как донор остатка глюкоза при синтезе гликогена.

Синтез катализирует фермент – гликогенсинтетаза, который формирует только α-1,4 гликозидные связи. Синтез гликогена осуществляется путем удлинения уже имеющейся молекулы полисахарида, так называемой затравки или праймера. К затравке последовательно присоединяются молекулы глюкозы. Затравка синтезируется с помощью специального белка – гликогенина, который выполняет не только роль белка-носителя, но и фермента. Он катализирует реакцию самогликозилирования, впоследствии гликогенин остается встроенным в молекулу гликогена.

α-1,6 гликозидные связи гликогена образуются при участии амило- 1,4→1,6 трансгликозилазы (ветвящий фермент), который переносит короткие фрагменты (по 5-7 глюкозных остатков) с одного участка на другой.

Активность гликогенсинтетазы также изменяется в результате фосфорилирования – дефосфорилирования. Однако есть различия в регуляции гликогенфосфорилазы и гликогенсинтетазы. Фосфорилирование гликогенсинтетазы катализирует ПК А и переводит ее в неактивную форму. Дефосфорилирование гликогенсинтетазы осуществляется под действием фосфопротеидфосфатазы, наоборот, активируя ее.

д.м.н. Е.И.Кононов

Лекция 1

Углеводы составляют незначительную часть общего сухого веса тканей человеческого организма - не более 2%, в то время как на белки, например, приходится до 45% сухой массы тела. Тем не ме-нее, углеводы выполняют в организме целый ряд жизненно важных функции, принимая участие в структурной и метаболической органи-зации органов и тканей.

С химической точки зрения углеводы представляют собой много-атомные альдегидо- или кетоноспирты или их полимеры, причем моно-мерные единицы в полимерах соединены между собой гликозидными связями.

1.1. Классификация углеводов.

Углеводы делятся на три больших группы: моносахариды и их производные, олигосахариды и полисахариды.

1.1.1. Моносахариды в свою очередь делятся, во первых, по характеру карбонильной группы на альдозы и кетозы и, во-вто-рых,по числу атомов углерода в молекуле на триозы, тетрозы, пен-тозы и т.д. Обычно моносахариды имеют тривиальные названия: глю-коза, галактоза, рибоза, ксилоза и др. К этой же группе соедине-ний относятся различные производные моносахаридов, важнейшими из них являются фосфорные эфиры моносахаридов [ глюкозо-6-фосфат, фруктозо-1,6-бисфосфат, рибозо-5-фосфат и др.], уроновые кислоты [галактуроновая, глюкуроновая, идуроновая и др.], аминосахара

[глюкозамин, галактозамин и др.], сульфатированные производные уроновых кислот, ацетилированные производные аминосахаров и др.Об-щее количество мономеров и их производных составляет несколько де-сятков соединений, что не уступает имеющемуся в организме коли-честву индивидуальных аминокислот.

1.1.2. Олигосахариды, представляющие собой полимеры, мономерными единицами которых являются моносахариды или их произ-водные. Число отдельных мономерных блоков в полимере может дости-гать полутора или двух / не более / десятков. Все мономерные еди-ницы в полимере связаны гликозидными связями. Олигосахариды в свою очередь делятся на гомоолигосахариды, состоящие из одинаковых мономерных блоков [ мальтоза ], и гетероолигосахариды - в их состав входят различные мономерные единицы [ лактоза ]. В боль-шинстве своем олигосахариды встречаются в организме в качестве структурных компонентов более сложных молекул - гликолипидов или гликопротеидов. В свободном виде в организме человека могут быть обнаружены мальтоза, причем мальтоза является промежуточным про-дуктом расщепления гликогена, и лактоза, входящая в качестве ре-зервного углевода в молоко кормящих женщин. Основную массу олиго-сахаридов в организме человека составляют гетероолигосахариды гликолипидов и гликопротеидов. Они имеют чрезвычайно разнообраз-ную структуру, обусловленную как разнообразием входящих в них мо-номерных единиц, так и разнообразием вариантов гликозидных связей между мономерами в олигомере [a- и b-гликозидные связи; связи, со-единяющие различные атомы углерода в соседних мономерных единицах: a - 1,4, a - 1,3, a - 1,6 и др. ].

1.1.3. Полисахариды, представляющие собой полимеры, построенные из моносахаридов или их производных, соединенных между собой гликозидными связями, с числом мономерных единиц от нес-кольких десятков до нескольких десятков тысяч. Эти полисахариды могут состоять из одинаковых мономерных единиц, т.е. являться го-мополисахаридами, или же в их состав могут входить различные мо-номерные единицы - тогда мы имеем дело с гетерополисахаридами. Единственным гомополисахаридом в организме человека является гли-коген, состоящий из остатков a-D - глюкозы. Более разнообразен на-бор гетерополисахаридов - в организме присутствуют гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты, кератансульфат, дерматансульфат, ге-парансульфат и гепарин. Каждый из перечисленных гетерополисахари-дов состоит из индивидуального набора мономерных единиц.Так основ-ными мономерными единицами гиалуроновой кислоты являются глюку-роновая кислота и N-ацетилглюкозамин,тогда как в состав гепарина входят сульфатированный глюкозамин и сульфатированная идуроновая кислота.

1.2. Функции углеводов различных классов Функции углеводов в организме разнообразны и, естественно, различны для разных классов соединений. Моносахариды и их производные выполняют, во-первых, энергетическую функцию: окислительное расщепление этих соединений дает организму 55-60 % необходимой ему энергии4. Во-вторых, промежуточные продукты распада моносахаридов и их производных используются в клетках для синтеза

других необходимых клетке веществ, в том числе соединений других классов; так, из промежуточных продуктов метаболизма глюкозы в

клетках могут синтезироваться липиды и заменимые аминокислоты, правда, в последнем случае необходим дополнительный источник ато-

мов азота аминогрупп. В третьих, моносахариды и их производные выполняют структурную функцию, являясь мономерными единицами дру-

гих, более сложных молекул, таких как полисахариды или нуклеотиды.

Главной функцией гетероолигосахаридов является структурная функция - они являются структурными компонентами гликопротеидов и гликолипидов. В этом качестве гетероолигосахариды участвуют в ре-ализации гликопротеидами целого ряда функций: регуляторной [ гор-моны гипофиза тиротропин и гонадотропины - гликопротеиды ],комму-никативной [ рецепторы клеток - гликопротеины ], защитной [ анти-тела - гликопротеины ]. Кроме того, гетероолигосахаридные блоки, входя в состав гликолипидов и гликопротеидов, участвуют в форми-ровании клеточных мембран, образуя, например, такой важный эле-мент клеточной структуры как гликокалликс.

Гликоген - единственный гомополисахарид, имеющийся в орга-низме животных - выполняет резервную функцию. причем он является резервом не только энергетическим, но также и резервом пластичес-кого материала. Гликоген в том или ином количестве присутствует практически во все клетках человеческого организма. Запасы глико-гена в печени могут составлять до 3-5 % от сырой массы этого ор-гана [ порой до 10 % ], а его содержание в мышцах - до 1% общей массы ткани. Учитывая массу этих органов, общее количество глико-гена в печени может составлять 150 - 200 г, а запасы гликогена в мыщцах - до 600 г.

Гетерополисахариды выполняют в организме структурную функцию они входят в состав глизаминопротеогликанов; последние,наряду с структурными белками типа коллагена или эластина, формируют межк-леточное вещество различных органов и тканей. Гликозаминопротеог-гликановые агрегаты, имея сетчатую структуру, выполняют функцию молекулярных фильтров, препятствующих или сильно тормозящих дви-жение макромолекул в межклеточной среде. Кроме того, молекулы гетерополисахаридов имеют в своей структуре множество полярных и несущих отрицательный заряд группировок, за счет которых они могут связывать большое количество воды и катионов, выполняя роль свое-образных депо для этих молекул.

Функции некоторых углеводов, имеющихся в организме, весьма специфичны. Так, гепарин является естественным антикоагулянтом - он препятствует свертыванию крови в сосудах, а лактоза, о чем уже упоминалось, является резервным углеводом женского молока.

2.Усвоение экзогенных углеводов

В обычных условиях основным источником углеводов для человека являются углеводы пищи. Суточная потребность в углеводах состав-ляет примерно 400 г, причем крайне желательно. чтобы легко усво-яемые углеводы [ глюкоза, сахароза, лактоза и пр.] составляли не более 25 % их общего количества в пищевом рационе. В процессе ус-воения пищи все экзогенные полимеры углеводной природы расщепля-ются до мономеров, что лишает эти полимеры видовой специфичности, а во внутреннюю среду организма из кишечника поступают лишь моно-сахариды и их производные; в дальнейшем эти мономеры используются по мере необходимости для синтеза специфичных для человека олиго-или полисахаридов.

Расщепление крахмала или гликогена пищи начинается уже в ротовой полости за счет воздействия на эти гомополисахариды амилазы и мальтазы слюны, однако этот процесс не имеет существенного значения, поскольку пища в ротовой полости находится очень короткое время. В желудке при пищеварении среда кислая и амилаза слюны,по-

падающая в желудок вместе с пищевым комком, практически не работает. Основная масса крахмала и гликогена пищи расщепляется в тонком кишечнике под действием амилазы поджелудочной железы до диса-харидов мальтозы и изомальтозы. Образовавшиеся дисахариды расщеп-ляются до глюкозы при участии ферментов, секретируемых стенкой кишечника: мальтазы и изомальтазы. Мальтаза катализирует гидролиз a-1,4-гликозидных связей, а изомальтаза - гидролиз a-1,6-глико-зидных связей.

Поступившая с пищей сахароза расщепляется в кишечнике до глюкозы и фруктозы при участии фермента сахаразы, а поступившая лактоза - до глюкозы и галактозы под действием фермента лактазы. Оба этих фермента секретируются стенкой кишечника.

Процессы расщепления гетероолигосахаридов или гетерополиса-харидов мало изучены. По-видимому, стенкой кишечника секретируют-ся гликозидазы, способные расщеплять a - и b - гликозидные связи имеющиеся в этих полимерах.

Всасывание моносахаридов происходит в тонком кишечнике, при-чем скорости всасывания различных моносахаридов существенно раз-личны. Если скорость всасывания глюкозы принять за 100, то ско-рость всасывания галактозы составит 110, фруктозы - 43, маннозы - 19, ксилозы - 15. Принято считать, что всасывание глюкозы и га-лактозы идет с участием механизмов активного транспорта, всасыва-ние фруктозы и рибозы - по механизму облегченной диффузии, а вса-сывание маннозы или ксилозы по механизму простой диффузии. При-мерно 90 % всосавшейся глюкозы поступает из энтероцитов непос-редственно в кровь, а 10 % ее оказывается в лимфе, впрочем, в дальнейшем и эта глюкоза также оказывается в крови.

Следует отметить, что углеводы могут быть полностью исключены из пищевого рациона. В этом случае все необходимые для организма углеводы будут синтезироваться в клетках из соединений неуглеводный природы в ходе процессов, получивших название глюконеогенез.

Преобладающим в количественном отношении моносахаридом, при-сутствующим во внутренней среде организма, является глюкоза. Ее содержание в крови относительно постоянно и является одной из кон-стант гомеостаза. Содержание глюкозы в крови составляет 3,3 - 5,5 мМ/л или 80 - 100 мг/дл. Пул глюкозы, т.е. общее содержание сво-бодной глюкозы в организме, составляет величину порядка 20 г. Из них 5 - 5,5 г содержится в крови, остальная глюкоза распределена в клетках и межклеточной жидкости. Из приведенных цифр следует, что концентрация глюкозы в клетках значительно ниже, чем в крови, что создает условия для поступления глюкозы из крови в клетки пу-тем простой или облегченной диффузии.

Пул глюкозы в организме есть результат динамического равновесия процессов, обеспечивающих пополнение этого пула и процессов, сопровождающихся использованием глюкозы из пула для нужд органов тканей.

Пополнение пула глюкозы идет за счет следующих процессов:

а/ поступление глюкозы из кишечника;

б/ образование глюкозы из других моносахаридов, например, из

галактозы или фруктозы;

в/ распад резервного гликогена в печени / гликогенез /; г/ синтез глюкозы из неуглеводных соединений,т.е. глюконеогенез.

Основные направления использования глюкозы из пула:

а/ окислительный распад глюкозы / аэробное окисление до СО2 и Н2О, анаэробное окисление до лактата и др./;

б/ синтез резервного гликогена;

в/ синтез липидов;

г/ синтез других моносахаридов или их производных; д/ синтез заменимых аминокислот; е/ синтез других азотсодержащих соединений, необходимых клеткам.

Транспорт глюкозы из крови или межклеточной жидкости в клет-ки идет по механизму облегченной диффузии, т.е. по градиенту кон-центрации с участием белка-переносчика. Эффективность работы ме-ханизма этого транспорта в клетках большинства органов и тканей зависит от инсулина. Инсулин увеличивает проницаемость наружных клеточных мембран для глюкозы, увеличивая количество белка-пере-носчика за счет дополнительного его поступления из цитозоля в мем-браны. Основная масса клеток различных органов и тканей является в этом контексте инсулинзависимыми, однако по крайней мере в клетках трех типов эффективность переноса глюкозы через их наруж-ные мембраны не зависит от инсулина, это эритроциты, гепатоциты и клетки нервной ткани. Эти ткани получили название инсулиннезави-симых тканей. но я еще раз хочу подчеркнуть, что речь идет лишь о независимости транспорта глюкозы в эти клетки от инсулина и ни о чем более. Так, доказано, что и клетки мозга и гепатоциты имеют в составе своих наружных мембран рецепторы для инсулина.

Глюкоза, поступившая в клетку, подвергается в клетке единс-твенному превращению - она фосфорилируется с участием АТФ:

Глюкоза + АТФ > Глюкозо-6-фосфат + АДФ

В большинстве органов и тканей ферментом, катализирующим эту ре-акцию, является гексокиназа. Этот фермент обладает высоким сродс-твом к глюкозе и способен ее фосфорилировать при низких концент-рациях глюкозы.В гепатоцитах есть еще один фермент - глюкокиназа, который также может катализировать эту реакцию, но обладая мень-шим сродством к глюкозе, он работает лишь в условиях высоких кон-центраций глюкозы в клетке и обычно принимает участие лишь в про-цессе синтеза гликогена в печени. Реакция, катализируемая гексо-киназой, сопровождается большой потерей свободной энергии [ DG = - 5 ккал/моль ] и в условиях клетки является необратимой, а глю-козо-6-фосфат представляет собой активированную форму глюкозы. Существенным является то обстоятельство, что наружная клеточная мембрана непроницаема для гл-6-ф и в результате фосфорилирования глюкоза как бы «запирается» в клетке. С другой стороны, быстрое превращение глюкозы в гл-6-ф позволяет поерживать крайне низкую концентрацию глюкозы в клетке, сохраняя тем самым градиент кон-центрации глюкозы между внеклеточной жидкостью и внутриклеточной средой.

Дата добавления: 2015-07-13