Метаболизм углеводов в организме

Углеводы являются основным источником энергии в организме. На них приходится более 50% калорийности и порядка ¾ объема суточного рациона.

Углеводы пищи представлены в основном полисахаридами, крахмалом, пищевыми волокнами, сахарозой (дисахарид, состоящий из глюкозы и фруктозы), лактозой. Углеводы начинают перевариваться в ротовой полости α-амилазой слюны. Дальнейшее их переваривание осуществляется α-амилазой поджелудочной железы. Завершение гидролиза происходит в тонком кишечнике, где под действием олигосахаридаз (сахараза, мальтаза, изомальтаза, лактаза, β-галактозидаза, гетерогалактозидаза, трегалаза) олиго- и дисахариды расщепляются до моносахаров (глюкоза, фруктоза, манноза, ксилоза, арабиноза) и всасываются в кровь. Процесс всасывания моносахаров является Na⁺- и АТФ-зависимым и происходит против градиента концентрации, благодаря чему даже незначительные количества моносахаров из кишечника могут попадать в кровеносное русло.

Для дальнейшего поступления глюкозы в клетку требуется наличие специальных белков-переносчиков (Glu T), которые выполняют свою функцию в различных тканях при разных условиях. На сегодняшний день их насчитывают 5:

• Glu T 1 – содержится в эндотелии сосудов гематоэнцефалического барьера и служит для обеспечения стабильного потока глюкозы в клетки мозга;
• Glu T 2 – содержится в органах, выделяющих глюкозу в кровь (кишечник, печень, почки);
• Glu T 3 – содержится в нейронах и, по сравнению с Glu T 1, имеет большее сродство к глюкозе. Таким образом, формируется дублирующий механизм обеспечения нервной ткани углеводами;
• Glu T 4 – содержится в мышцах и адипоцитах, обеспечивая мышечную работу и накопление гликогена в мышце, а также вовлечение углеводов в липидный обмен;
• Glu T 5 – содержится в тонком кишечнике, но его функция до конца не установлена.

Работа белков-транспортеров глюкозы контролируется гормонами, основным из которых является инсулин. Причем наиболее выраженное действие инсулин оказывает на Glu T 4 в мышцах и жировой ткани – инсулинзависимых тканях, чем обеспечивает свои множественные биологические эффекты с усилением синтеза углеводов, белков, липидов, нуклеиновых кислот, являясь анаболическим гормоном.

Дальнейший катаболизм углеводов происходит следующим образом. Моносахара, транспортированные из клеток кишечника, попадают в воротный кровоток, откуда поступают в печень.

Через Glu T 2 глюкоза поступает в гепатоцит, где подвергается фосфорилированию при участии печеночной гексокиназы (у плода и детей первого месяца жизни) и глюкокиназы (у детей старше 1 месяца и у взрослых) (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Эффекты поступления глюкозы в клетку

Полученные в результате этих реакций эфиры глюкозы и фруктозы не могут самостоятельно преодолеть плазматическую мембрану. Дальнейшими путями их трансформации являются превращение в гликоген (запасающая функция) и метаболизм по пути гликолиза (в зрелых клетках) или пентозофосфатного шунта (при подготовке клетки к делению) в условиях анаэробиоза.

Образовавшийся в результате гликолиза (или пентозофосфатного шунта) пируват (ПВК) путем диффузии проникает в митохондрии, где в пируватдегидрогеназной реакции превращается в ацетил-коэнзим А (ацетил-КоА). Следует отметить, что данная реакция является наиболее витаминозависимой, поскольку в качестве кофакторов требует участия тиамина, липоевой кислоты, никотинамида, рибофлавина, пантотената.

Ацетил-КоА – универсальный катаболит метаболизма белков, липидов и углеводов, обратно сопрягающий все виды обмена. Однако основной путь использования этой субстанции – утилизация в цикле трикарбоновых кислот (ЦТК, цикл Кребса, цикл лимонной кислоты).

Цикл Кребса – аэробный процесс, локализованный в матриксе митохондрий, в ходе которого ацетил-КоА подвергается дегидрированию и декарбоксилированию. Освободившийся водород акцептируется переносчиками НАД и ФАД и транспортируется в дыхательную цепь, где в ходе окислительного фосфорилирования соединяется с кислородом. Таким образом, происходит биологическое окисление, суть которого состоит в восстановлении водорода. Результатом работы цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) является продукция не только Н⁺ и СО₂, но и энергии АТФ (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Реакции цикла Кребса

ЦТК тесно связан с орнитиновым циклом мочевины путем общего метаболита фумарата, утилизации СО₂ в орнитиновом цикле с использованием АТФ, синтезированной в цикле Кребса. Такая тесная связь позволила назвать этот процесс Krebs bycicle (двухколесный велосипед Кребса).

Наличие универсального метаболита, обратимость реакций, сопряжение реакций утилизации и трансформации служат гарантией стабильной продукции энергии при изменяющихся условиях среды (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Сопряжение обмена веществ

Запасаются углеводы в виде гликогена в реакциях гликогенеза при участии гликогенсинтетазы. Гликоген синтезируется только в «сытом» организме при значительном доступе экзогенной глюкозы в портальную кровь. В печени он никогда не расщепляется полностью. Как правило, укорачиваются или удлиняются (при высоком содержании глюкозы) только невосстанавливающиеся концы древовидной структуры молекулы гликогена.

В организме человека может содержаться до 450 г гликогена, треть которого накапливается в печени, а остальное количество, главным образом, в мышцах. Содержание гликогена в других органах незначительно. Гликоген печени служит, прежде всего, для поддержания уровня глюкозы в крови в фазе пострезорбции. Поэтому содержание гликогена в печени варьирует в широких пределах.

Гликоген мышц служит резервом энергии и не участвует в регуляции уровня глюкозы в крови. В мышцах отсутствует глюкозо-6-фосфатаза, поэтому гликоген мышц не может быть источником глюкозы в крови. По этой причине колебания содержания гликогена в мышцах меньше, чем в печени (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Баланс гликогена

При длительном голодании содержание гликогена в печени снижается, после чего начинается снабжение организма глюкозой с помощью глюконеогенеза – процесса образования глюкозы и гликогена из неуглеводных источников. Субстратами глюконеогенеза могут быть:

• лактат, образующийся в результате анаэробного гликолиза в печени, а также лактат, приносимый с кровью к гепатоцитам (преимущественно от мышц). Циркуляцию глюкозы и лактата между мышцами и печенью называют циклом Кори;
• гликогенные аминокислоты (все, кроме лейцина, являющегося кетогенным за счет трансформации в ацетил-КоА), поступающие извне и высвобождаемые скелетными мышцами;
• глицерин, поступающий из реакций липолиза; оксалоацетат, пируват и промежуточные продукты ЦТК.

Гормональный контроль углеводного обмена многомерен. Точки приложения и эффекты различных гормонов на звенья углеводного обмена представлены в табл. 1.1.

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!1Вставить табл. 1.1. (стр. 28, 29)!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

Как видно из приведенных в таблице данных, наиболее значимое воздействие на все этапы обмена углеводов оказывает инсулин. Инсулин вырабатывается в поджелудочной железе, которая выполняет внешнесекреторную (экзокринную) и внутрисекреторную (эндокринную) функции. Железа состоит из головки, тела и хвоста. Головка железы прилегает к двенадцатиперстной кишке, а хвост достигает селезенки.

Эндокринная ткань поджелудочной железы представлена островками. Их насчитывается 1-1,5 млн, и они составляют около 1-3% массы железы. Островки состоят из клеток разных типов: α-клеток, секретирующих глюкагон (их от 15 до 35%); β-клеток, которые вырабатывают инсулин (65-80%); Δ-клеток (от 2 до 8 %), синтезирующих соматостатин. Клетки поджелудочной железы также секретируют панкреатический полипептид, гастрин, липокаин и другие гормоны.

Свое название инсулин получил благодаря происхождению из островковых клеток (от латинского insula – остров).

Молекула инсулина состоит из 51 аминокислоты, формирующих две пептидные цепи А (21 аминокислота) и В (30 аминокислот), соединенных двумя дисульфидными мостиками; третий дисульфидный мостик находится в цепи А (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Строение молекулы инсулина

Инсулин обнаруживается у всех позвоночных, однако в структуре молекулы разных видов имеются свои особенности, что представлено в табл. 1.2. Так, молекула инсулина человека отличается от коровьей на 3 аминокислоты, а свиной – на 1, что позволило их использовать с терапевтической целью.

Строение А- и В- цепей молекул инсулина некоторых видов млекопитающих

Биосинтез инсулина контролируется геном, расположенным на коротком плече 11-й хромосомы, и происходит в несколько этапов. Процесс биосинтеза начинается в гранулярном эндоплазматическом ретикулуме β-клеток поджелудочной железы с формирования молекулы-предшественника (препроинсулина), которая расщепляется микросомальными ферментами до проинсулина. Проинсулин транспортируется в комплекс Гольджи, где делится на инсулин и эквимолярное количество С-пептида (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Биосинтез инсулина в β-клетках поджелудочной железы

После секреции инсулин быстро разрушается (в течение 6-10 минут), однако его период последействия является существенным.

Основным стимулятором секреции инсулина как в условиях голодания, так и в состоянии насыщения, является глюкоза.

Наиболее значимые анаболические эффекты инсулина в инсулинзависимых тканях, снабженных переносчиками Glu T 2, сводятся к следующему:

• стимуляция синтеза гликогена, торможение гликолиза и глюконеогенеза в печени;
• стимуляция захвата, синтеза и этерификации жирных кислот (ЖК) и торможение липолиза в жировой ткани;
• стимуляция захвата аминокислот, синтеза белка и гликогена с торможением протеолиза в мышцах.

Дефицит инсулина или нарушение его влияний на клетки-мишени вызывают существенные сдвиги в организме, демонстрирующие задействованность не только углеводного, но и белкового, липидного, водно-электролитного гомеостаза (табл. 1.3).

Схематически проявления инсулиновой недостаточности представлены на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Проявления дефицита инсулина

Из монографии «Сахарный диабет: от ребенка до взрослого»

Сенаторова А.С., Караченцев Ю.И., Кравчун Н.А., Казаков А.В., Рига Е.А., Макеева Н.И., Чайченко Т.В.

ГУ «Институт проблем эндокринной патологии им. В.Я. Данилевского АМН Украины»
Харьковский национальный медицинский университет
Харьковская медицинская академия последипломного образования МЗ Украины