Глюкоза превращается в гликоген под действием инсулина

Для обеспечения жизнедеятельности человеческому организму необходима энергия, которая вырабатывается за счёт сложного процесса превращения углеводов, в частности, глюкозы. Основным источником поступления в кровь глюкозы является пища, которая содержит такие углеводы, как лактоза, сахароза, крахмал и другие. Как правило, большая часть этих углеводов в процессе пищеварения превращается в глюкозу.

Глюкоза представляет собой простой сахар, состоящий из шести атомов углерода, и является важным энергетическим источником для всего организма и единственным – для головного мозга. В свободном состоянии глюкоза практически не присутствует в пищевых продуктах, однако она входит в состав сахарозы и крахмала, из которых она выделяется в процессе пищеварения, давая организму необходимую энергию.

Входящие в состав пищи углеводы поставляют в организм около 60% энергии. Попав в желудочно-кишечный тракт, сложные углеводы расщепляются ферментами до простых молекул, называемых моносахаридами, которые затем всасываются в кровь. К моносахаридам относятся глюкоза, галактоза и фруктоза. Из всех моносахаридов 80% принадлежит глюкозе, к тому же, большая часть галактозы и фруктозы в процессе пищеварения также превращаются в глюкозу. В итоге, все поступающие с пищей углеводы в ходе метаболизма расщепляются до глюкозы.

Глюкоза может служить источником энергии, только функционируя внутри клетки. Каждая клетка организма запасает энергию посредством метаболического окисления глюкозы до углекислого газа и воды. Под воздействием этого процесса аккумулируемая в молекуле глюкозы энергия используется для образования энергоёмкого соединения – молекулы АТФ. Заключённая в молекуле АТФ энергия в последующем может использоваться организмом для осуществления химических внутриклеточных реакций.

Проникнув внутрь клеток, глюкоза берёт на себя центральную метаболическую роль, снабжая энергией многие биохимические реакции, необходимые для осуществления клеточных функций. Головной мозг, в отличие от других тканей, не способен синтезировать глюкозу и обеспечение его энергетических нужд полностью зависит от поступления глюкозы из крови. Чтобы головной мозг функционировал нормально, уровень глюкозы в крови должен составлять не менее 3.0 ммоль/л. Однако, он не должен быть слишком высоким. Поскольку глюкоза является осмотически активным веществом, то при возрастании её уровня в крови в соответствии с законами осмоса из тканей в кровь начинает поступать вода, а почки начинают активно выводить глюкозу, если её уровень достигает 10 ммоль/л. В результате организм лишается глюкозы – главного источника энергии.

Поговорим о том, как же глюкоза проникает внутрь клеток. В результате пищеварения и сложного обмена углеводов в крови оказывается повышенное содержание глюкозы. Это служит своеобразным сигналом поджелудочной железе для выработки ферментов и гормонов.

Клетки поджелудочной железы имеют разное строение и выполняют разные функции. Существуют так называемые бета-клетки, которые синтезируют гормон инсулин. При повышении в крови уровня глюкозы, инсулин выбрасывается в кровь, открывая ей своеобразный шлюз для попадания внутрь клеток, где в последующем она сможет использоваться организмом, как источник энергии. Но клетки организма нуждаются в постоянной энергетической подпитке, а не только во время еды, поэтому нормальная секреция инсулина у здорового человека идёт постоянно с показателем 0.5-1 в час.

Прием пищи стимулирует дополнительный выброс инсулина. Причём, это происходит практически моментально, что не приводит к повышению уровня сахара в крови. Между приемами пищи организму также необходим энергетический материал в виде глюкозы, и для этого печень резервирует необходимое количество углеводов, переработанных в гликоген, и по мере необходимости преобразует его обратно в глюкозу.

Одной из функций поджелудочной железы является регулирование уровня глюкозы в крови. Для этой цели в её клетках вырабатываются два гормона – антагониста: инсулин и глюкагон. То есть, если глюкозы в крови много – инсулин спешить провести её внутрь клеток, а энергетический излишек с помощью печени зарезервировать в гликоген. Если глюкозы в крови мало – глюкагон блокирует выработку гликогена, начиная активно перерабатывать его обратно в глюкозу, чтобы обеспечить необходимое энергетические питание организма. Таким образом, благодаря нормальной работе поджелудочной железы, поддержание уровня глюкозы в крови подвергается строгому контролю.

Кроме регулирования углеводного обмена, роль инсулина в нормальной работе организма невозможно переоценить. Инсулин – единственный гормон, помогающий поступившей в кровь глюкозе пройти печёночные, жировые и мышечные клетки. Если инсулина недостаточно, то происходит, приблизительно, то же, что может произойти с автомобилем; для запуска процесса сгорания топлива необходимо включить зажигание, но оно не работает, и топливо заливает двигатель. Функцию зажигания в организме выполняет именно инсулин. Если его не хватает, глюкоза не сгорает, не перерабатывается в энергию, а накапливается в крови и нарушает работу всего организма. Возникает инсулиновый голод среди сахарного изобилия.

Кроме того, инсулин помогает печени в образовании резервного энергетического запаса гликогена, играет огромную роль в обеспечении энергетического баланса организма, препятствуя переходу аминокислот в сахара, улучшает синтез белков, способствует преобразованию углеводов в жиры, то есть участвует практически во всех жизненно важных процессах. Если же, после переработки глюкозы и отложения гликогена в печени, показатель уровня сахара в крови остаётся высоким, то его избыток жировые клетки превращают в жир, что, соответственно, приводит к ожирению.

Однако, при длительном, неправильно составленном рационе питания, с большим количеством «быстрых» углеводов и рафинированных продуктов, работа поджелудочной железы может нарушиться. Это грозит развитием такого серьёзного заболевания, как сахарный диабет. Если клетки не могут усвоить глюкозу, поступившую в кровь при переваривании пищи, то её уровень постепенно повышается. Существует два типа сахарного диабета. I тип (инсулинозависимый) требует введения в организм инсулина извне, так как поджелудочная железа практически не вырабатывает инсулин. При II типе (инсулиннезависимом) вырабатывается достаточное количество инсулина, но он не работает должным образом. Поскольку клетки не получают необходимого количества энергии, возникает слабость и быстрое переутомление.

Если показатель уровня сахара в крови выше 10 ммоль/л, то к его выводу из организма подключаются почки. Поскольку увеличивается мочеотделение, появляется чувство постоянной жажды. В конце концов, организм переключается на другие виды горючего: жиры и белки. Но их расщепление происходит тоже под воздействием инсулина, которого катастрофически не хватает, поэтому жиры сгорают не до конца, что приводит к отравлению всего организма и может спровоцировать кому.

Поэтому, чтобы сохранить здоровье, необходимо тщательно следить за качеством рациона питания и, прежде всего, углеводов. Существует такое понятие, как гликемический индекс (ГИ) продуктов. Он показывает, с какой скоростью в организме расщепляется и преобразуется в глюкозу тот или иной продукт. При этом, чем быстрее расщепление, тем выше гликемический индекс. Так называемые «быстрые» углеводы заставляют поджелудочную железу реагировать выбросом рекордного количества инсулина. Употребление «быстрых» углеводов всегда ведёт к развитию ожирения, поскольку излишек глюкозы организм непременно отложит про запас в виде жира. Совсем другое дело обстоит с «медленными» углеводами, которые постепенно расщепляясь, позволяют инсулину равномерно проводить глюкозу в клетки, обеспечивая долговременное чувство сытости и необходимую энергетическую подпитку.

Таким образом, процесс обмена углеводов идёт по двум направлениям: преобразование пищевых веществ в энергию и перераспределение их избытка в энергетические резервы для подпитки между приемами пищи. Если энергетический резерв полон, а в крови ещё присутствует глюкоза, то организм её откладывает в виде жирового запаса. Поэтому очень важно подпитывать организм энергией, употребляя «медленные» углеводы. При правильной работе пищеварительной системы и поджелудочной железы, показатель содержания сахара в крови всегда будет оставаться в норме, способствуя сохранению здоровья и активного образа жизни.

источник

ЗАНЯТИЕ 5. ГОРМОНАЛЬНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ УГЛЕВОДНОГО И ЛИПИДНОГО ОБМЕНОВ

1. Гормональная регуляция углеводного обмена.

2. Причины и последствия нарушений гормональной регуляции углеводного обмена.

3. Гормональная регуляция липидного обмена.

4. Причины и последствия нарушений гормональной регуляции липидного обмена.

Гормональная регуляция углеводного обмена.

2. Причины и последствия нарушений гормональной регуляции углеводного обмена.

Обмен углеводов представляет собой систему непрерывных процессов образования, транспорта, поддержания на оптимальном уровне концентрации в крови и распада углеводов. Углеводы человек получает с пищей в виде сахаров (моно-, олиго- и полисахаридов). В процессе переваривания в ЖКТ всех видов углеводов они превращаются в глюкозу, содержание которой в крови – жизненно важная константа. Углеводы служат важнейшим источником энергии (единственным для ЦНС), а также необходимы для пластических функций.

Запасание углеводов в организме происходит в виде гликогена. Образование гликогена из глюкозы начинается с процесса фосфорилирования ее с помощью ферментов глюкокиназы (в печени) и гексокиназы (в других тканях) с образованием глюкозо-6-фосфата (Г-6-Ф). Основная часть глюкозы, пройдя ряд преобразований и включаясь в цикл Кребса, используется для синтеза АТФ в процессе окислительного фосфорилирования.

Количество глюкозы в крови, оттекающей от печени, зависит в основном от двух взаимосвязанных процессов: гликолиза и глюконеогенеза, которые в свою очередь регулируются ключевыми ферментами фосфофруктокиназой и фруктозо-1,6-бисфосфатазой. Активность этих ферментов регулируется гормонами.

Регуляция уровня глюкозы в крови осуществляется с помощью функциональной системы саморегуляции, которая включает в себя множество нервных и гуморальных механизмов. Главным нервным центром регуляции уровня глюкозы в крови является гипоталамо-гипофизарная система, которая реализует свои эфферентные влияния через симпатический и парасимпатический отделы ВНС и через эндокринную систему.

Регуляция концентрации глюкозы в крови происходит двумя путями (рисунок 1):

1) регуляция по принципу отклонения параметра от нормальных значений. Нормальная концентрация глюкозы в крови составляет 3.3 – 5.55 ммоль/л. Регуляция концентрации глюкозы в крови в зависимости от ее концентрации осуществляется двумя гормонами с противоположными эффектами – инсулином и глюкагоном;

2) регуляция по принципу возмущения – эта регуляция не зависит от концентрации глюкозы в крови, а осуществляется в соответствии с необходимостью увеличения уровня глюкозы в крови в различных, как правило, стрессирующих ситуациях. Гормоны, увеличивающие уровень глюкозы в крови, поэтому называются контринсулярными. К ним относятся: глюкагон, адреналин, норадреналин, кортизол, тиреоидные гормоны, соматотропин.

Рисунок 1–Гормональная регуляция уровня глюкозы в крови

Инсулин синтезируется β-клетками поджелудочной железы. Он представляет собой полипептид, состоящий из двух пептидных цепей: α-цепь, состоящая из 21 аминокислотного остатка, соединена дисульфидным мостиком с β-цепью, состоящей из 30 аминокислотных остатков. Инсулины животных разных видов лишь слегка различаются по аминокислотной последовательности и обладают одинаковым биологическим действием.

Основным стимулом выброса инсулина является повышение уровня глюкозы в крови, а также аминокислоты, свободные жирные кислоты, энтерогормоны, действие их усиливают ионы кальция и парасимпатическая нервная система. Главным стимулятором выброса инсулина является глюкоза, поступившая в организм внутривенно или в составе пищи. Гормоны ЖКТ (гастрин, холицистокинин-панкриозимин) усиливают выброс инсулина на глюкозу. Ингибиторами секреции инсулина выступают: соматостатин, простагландины, адреналин, симпатическая нервная система.

Инсулин является единственным физиологическим гормоном, снижающим уровень глюкозы в крови, составляющей в норме 3,3–5,55 ммоль/л. Под влиянием инсулина увеличивается поглощение глюкозы почти всеми клетками тела, и ее концентрация в крови опять снижается.

Биосинтез. Инсулин синтезируется в β-клетках поджелудочной железы в виде препроинсулина, на N-конце которого находится концевая сигнальная последовательность из 23 аминокислот, служащая проводником всей молекулы в полость эндоплазматической сети. Здесь концевая последовательность сразу отщепляется и проинсулин транспортируется в аппарат Гольджи. На данном этапе в молекуле проинсулина присутствуют А-цепь, В-цепь и С-пептид (англ. connecting – связующий). В аппарате Гольджи проинсулин упаковывается в секреторные гранулы вместе с ферментами, необходимыми для «созревания» гормона. По мере перемещения гранул к плазматической мембране образуются дисульфидные мостики, вырезается связующий С-пептид (31 аминокислота) и формируется готовая молекула инсулина. В готовых гранулах инсулин находится в кристаллическом состоянии в виде гексамера, образуемого с участием двух ионов Zn 2+ .

Механизм действия инсулина. Действие инсулина на клетки-мишени начинается после его связывания со специфическими димерными мембранными рецепторами (рисунок 2), при этом внутриклеточный домен рецептора обладает тирозинкиназной активностью. Инсулин-рецепторный комплекс не только передает сигнал внутрь клетки, но и частично путем эндоцитоза поступит внутрь клетки к лизосомам. Под влиянием лизосомальной протеазы инсулин отщепляется от рецептора, при этом последний либо разрушается, либо возвращается к мембране и вновь встраивается в нее. Многократное перемещение рецептора от мембраны к лизосомам и обратно к мембране носит название рециклизация рецептора. Процесс рециклизации важен для регуляции количества инсулиновых рецепторов, в частности обеспечения обратной зависимости между концентрацией инсулина и количеством мембранных рецепторов к нему. Образование инсулин-рецепторного комплекса активирует тирозинкиназу, запускающую процессы фосфорилирования внутриклеточных белков. Происходящее при этом аутофосфорилирование рецептора ведет к усилению первичного сигнала. Инсулин-рецепторный комплекс вызывает активирование фосфолипазы С, образование вторичных посредников инозитолтрифосфата и диацилглицерола, активацию протеинкиназы С, ингибирование цАМФ. Участие нескольких систем вторичных посредников объясняет многообразие и различия эффектов инсулина в разных тканях.

Рисунок 2 — Механизм действия инсулина на клетку-мишень

Все эффекты инсулина по скорости их реализации подразделяют на 4 группы:

1. очень быстрые (через несколько секунд) — гиперполяризация мембран клеток (за исключением гепатоцитов), повышение проницаемости для глюкозы, активация Na/K-АТФазы, входа К + и удаление Na + , подавление Са 2+ -насоса и задержка Са 2+ ;

2. быстрые эффекты (в течение нескольких минут) — активация и торможение различных ферментов, усиливающих анаболические процессы;

3. медленные процессы (в течение нескольких часов) — повышенное поглощение амиминокислот, изменение синтеза РНК и белков-ферментов;

4. очень медленные эффекты (от часов до суток) — активация митогенеза и размножения клеток.

Влияние инсулина на обмен углеводов:

– активирует гликогенсинтетазу, стимулируя тем самым синтез гликогена из глюкозы, т.е. интенсифицирует гликогенез;

– активирует гексо- и глюкокиназу, запуская таким образом процесс фосфорилирования глюкозы — ключевую биохимическую реакцию, стоящую в начале пути как анаэробного, так и аэробного расщепления углеводов;

– активирует фосфофруктокиназу, обеспечивая фосфорилирование фруктозо-6-фосфата, что играет важную роль как в процессах гликолиза, так и глюконеогенеза;

– ингибирует фосфоэнолпируваткарбоксикиназу, т.е. тем самым тормозит ключевую реакцию глюконеогенеза — превращение пирувата в фосфоэнолпируват;

– активирует синтез уксусной кислоты из лимонной в цикле Кребса;

– является необходимым для транспорта глюкозы через клеточную мембрану, в особенности в мышцах и жировой ткани.

Действие инсулина на обмен глюкозы в печени.

Печень — это один из наиболее важных органов тела, запасающих глюкозу. Глюкоза может свободно диффундировать в клетки печени и выходить из них, когда ее содержание в крови снижается. В клетках печени глюкоза под влиянием инсулина превращается в гликоген, и ее содержание в крови снижается.

Биохимические эффекты действия инсулина:

ü активация фермента глюкокиназы, катализирующей фосфорилирование глюкозы, которая поступает в клетки печени;

ü активация фосфофруктокиназы и гликогенсинтетазы, катализирующих полимеризацию фосфорилированной глюкозы с образованием гликогена;

ü ингибирование ферментов, расщепляющих гликоген (фосфорилазы), благодаря чему высокий уровень инсулина способствует консервации гликогена.

За счет быстрого синтеза гликогена и подавления гликогенолиза концентрация глюкозы в крови, повышающаяся после приема пищи, быстро возвращается к нормальному уровню. В результате удаляется основной стимул секреции инсулина, и содержание последнего в крови также нормализуется. Когда организму требуется энергия в промежутках между приемами пища, гликоген опять превращается в глюкозу. Концентрация инсулина в крови в этот период очень мала. Образующаяся при этом глюкоза может свободно выходить из клетки путем диффузии. Таким образом, поддерживается постоянный уровень глюкозы в крови между приемами пищи. При нормальном питании около 60% глюкозы, потребляемой человеком с пищей, временно запасается в печени, с тем, чтобы быстро высвобождаться за счет расщепления гликогена.

Действие инсулина на обмен глюкозы в мышечных клетках.

При низком содержании инсулина в крови мышечные клетки в норме непроницаемы для глюкозы и всю необходимую энергию получают за счет окисления жирных кислот.

Увеличение концентрации инсулина, вызванное повышением уровня глюкозы в крови после приема пищи, делает мышечные клетки проницаемы для глюкозы, которая используется затем в качестве источника энергии. Однако при очень высокой мышечной активности мембраны клеток становятся проницаемы для глюкозы и в отсутствие инсулина. В этом случае потребность работающей мышцы в глюкозе как энергетическом субстрате удовлетворяется даже при базальном уровне инсулина. Когда мышца находится в неактивном состоянии, в ней сразу после приема пищи, т.е. при высоких концентрациях инсулина и глюкозы, тоже образуется и сохраняется небольшое количество гликогена. При острой необходимости этот гликоген опять превращается в глюкозу, которая используется мышечными клетками. Как правило, глюкоза не выделяется обратно в кровь и не играет никакой роли в регуляции уровня сахара в крови после приема пищи. Связываясь с рецептором на поверхности мышечных клеток, инсулин активирует механизм транспорта глюкозы через мембрану.

Обмен глюкозы в нервных клетках. Клетки ЦНС свою довольно высокую потребность в энергии почти целиком покрывают за счет глюкозы, причем ее потребление не зависит от инсулина. Он не влияет на проницаемость мембран для глюкозы и не активирует ферментные системы этих клеток. Тот факт, что ЦНС получает необходимую ей энергию только за счет окисления глюкозы, позволяет понять, почему снижении концентрации последней в крови ниже критического уровня может привести к гипогликемическому шоку с помутнением сознания или даже комой.

Большинство других клеток тела отвечает на инсулин подобно мышечным клеткам.

Поступление глюкозы в клетки из кровотока происходит путем облегченной диффузии при участии специальных белков-переносчиков — ГЛЮТ (глюкозные транспортеры). ГЛЮТ обнаружены во всех тканях. Существует несколько изоформ ГЛЮТ, которые различаются по локализации и сродству к глюкозе. ГЛЮТ пронумерованы в порядке их обнаружения.

Дата добавления: 2018-04-15 ; просмотров: 345 ; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ

источник

Как правило, большая часть этих углеводов в процессе пищеварения превращается в глюкозу.

Глюкоза представляет собой простой сахар, состоящий из шести атомов углерода, и является важным энергетическим источником для всего организма и единственным – для головного мозга.

В свободном состоянии глюкоза практически не присутствует в пищевых продуктах, однако она входит в состав сахарозы и крахмала, из которых она выделяется в процессе пищеварения, давая организму необходимую энергию.

Но клетки организма нуждаются в постоянной энергетической подпитке, а не только во время еды, поэтому нормальная секреция инсулина у здорового человека идёт постоянно с показателем 0.5-1 в час.

Если глюкозы в крови мало – глюкагон блокирует выработку гликогена, начиная активно перерабатывать его обратно в глюкозу, чтобы обеспечить необходимое энергетические питание организма. Таким образом, благодаря нормальной работе поджелудочной железы, поддержание уровня глюкозы в крови подвергается строгому контролю.

Функцию зажигания в организме выполняет именно инсулин. Если его не хватает, глюкоза не сгорает, не перерабатывается в энергию, а накапливается в крови и нарушает работу всего организма. Возникает инсулиновый голод среди сахарного изобилия.

Существует два типа сахарного диабета. I тип (инсулинозависимый) требует введения в организм инсулина извне, так как поджелудочная железа практически не вырабатывает инсулин. При II типе (инсулиннезависимом) вырабатывается достаточное количество инсулина, но он не работает должным образом. Поскольку клетки не получают необходимого количества энергии, возникает слабость и быстрое переутомление.

Поэтому, чтобы сохранить здоровье, необходимо тщательно следить за качеством рациона питания и, прежде всего, углеводов.

Существует такое понятие, как гликемический индекс (ГИ) продуктов. Он показывает, с какой скоростью в организме расщепляется и преобразуется в глюкозу тот или иной продукт. При этом, чем быстрее расщепление, тем выше гликемический индекс. Так называемые «быстрые» углеводы заставляют поджелудочную железу реагировать выбросом рекордного количества инсулина.

Употребление «быстрых» углеводов всегда ведёт к развитию ожирения, поскольку излишек глюкозы организм непременно отложит про запас в виде жира. Совсем другое дело обстоит с «медленными» углеводами, которые постепенно расщепляясь, позволяют инсулину равномерно проводить глюкозу в клетки, обеспечивая долговременное чувство сытости и необходимую энергетическую подпитку.

При правильной работе пищеварительной системы и поджелудочной железы, показатель содержания сахара в крови всегда будет оставаться в норме, способствуя сохранению здоровья и активного образа жизни.

источник

Углеводный обмен Углеводы входят в состав многих продуктов питания, что позволяет покрывать потребность организма человека в энергии примерно на 60%. Попадая в пищеварительный тракт, сложные углеводы (в основном это полисахариды, например, крахмал) под действием ферментов перевариваются (расщепляются) до простых углеводов (олиго- или моносахаридов) и, всасываясь через слизистую оболочку желудочно-кишечного тракта, попадают в кровь.

К моносахаридам относится глюкоза, фруктоза, галактоза и другие формы. Однако в организме человека среди абсорбированных моносахаридов преобладает глюкоза, доля которой составляет до 80%. То есть, большинство углеводов, которые поступают в организм с пищей, метаболизируются до глюкозы.

В случае возникновения дефицита глюкозы в организме (при ее ограниченном поступлении, например, при голодании или низкоуглеводной диете), некоторые клетки могут превращать неуглеводные продукты (белки и жиры) в глюкозу. Этот процесс называется глюконеогенез. В нем, как правило, участвуют клетки печени, почек и некоторые клетки кишечника (доля этих клеток в кишечнике составляет примерно 1-3%).

Глюкоза выполняет роль источника энергии и участвует в обменном процессе на клеточном уровне (то есть, внутри клеток). Клетки аэробного организма способны создавать энергетический запас путем метаболического окисления глюкозы, когда глюкоза вступает в химическую реакцию с кислородом. В результате этой реакции в клетке образуется вода и углекислый газ (диоксид углерода). То есть, аккумулируема в молекуле глюкозы энергия расходуется с целью образования энергоемкого (макроэргического) соединения – из молекулы АДФ (адезиндифосфата) в молекулу АТФ (адезинтрифосфата). В молекуле АТФ содержится энергия необходимая для большого количества внутриклеточных биохимических реакций (см рис 1).

Рисунок 1. Глюкоза является ключевым элементом в клеточном метаболизме (обмене веществ), обеспечивая энергией большое количество химических реакций, благодаря которым клетка выполняет свои функции

Запас энергии путем создания макроэргических связей молекулы АТФ проходит в клетках при участии глюкозы двумя метаболическими путями (см рис 2):

— гликолиз (путь Эмбдена-Мейергофа) с образованием 2-х молекул АТФ и 2-х молекул лактата; в этом случае катаболизм глюкозы проходит без кислорода;
— цикл Кребса в совокупности с дыхательным путем дает возможность получить 38 молекул АТФ с конечными метаболитами в виде воды (H2O) и углекислого газа (CO2); катаболизм глюкозы проходит с участием кислорода.

Рисунок 2. Упрощенная схема процесса окисления глюкозы в клетке

Процесс образования энергии начинается с гликолиза, когда глюкоза проходит десять последовательных ферментативных реакций, что приводит к образованию пирувата (пировиноградной кислоты). Дальнейшая реакция пировиноградной кислоты зависит непосредственно от доступности кислорода в клетке. При условии нормального уровня содержания кислорода, в митохондриях клетки пировиноградная кислота превращается в ацетил-кофермент А (ацетиломКоА), который вступает в цикл Кребса и конденсируется с оксалоацетатом (щавеливоуксусной кислотой), в результате чего образуется лимонная кислота. Последующие девять ферментативных реакций сопровождаются превращением молекулы лимонной кислоты обратно в молекулу щавеливоуксусной кислоты, которая способна опять конденсироваться с ацетил-коферментом А, поставляемого в процессе катаболического преобразования глюкозы.

При участии в катаболизме одной молекулы глюкозы при наличии кислорода образуется 8 молекул АТФ и 2 молекулы пировиноградной кислоты. Дальнейшее преобразование двух молекул пировиноградной кислоты в пируватдегидрогеназном комплексе и цикле Кребса, а потом при работе дыхательной цепи образуется еще 30 молекул АТФ. В результате, при окислении одной молекулы глюкозы с образованием воды и углекислого газа, образуется 38 молекул АТФ с макроэргическими связями.

В случае дефицита кислорода процесс окисления глюкозы происходит путем гликолиза. При этом в митохондрии, содержащих ферменты цикла Кребса и пируватдегидрогеназного комплекса, не поступает пировиноградная кислота. В цитоплазме пируват (пировиноградная кислота) преобразуется в лактат (молочную кислоты).

Отметим, что лактоацидоз – накопление в крови большого количества молочной кислоты – сопровождает многие заболевания, вызванные нарушением кровоснабжения тканей (что, собственно, приводит к гипоксии тканей). Лактоацидоз является прямым следствием гликолиза в тканях с недостаточным обеспечением кислорода (окигенацией), то есть анаэробного гликолиза.

Нервные клетки, в том числе и клетки головного мозга, не способны создавать и накапливать глюкозу, в отличие от других клеток человеческого организма. Поэтому обеспечение энергетических потребностей нервной системы полностью зависит от поступления глюкозы из крови. Для обеспечения полноценного функционирования нервных клеток минимальный уровень глюкозы в крови должен быть примерно 4,0 ммоль/л. Также уровень глюкозы в крови не должен быть очень высоким.

Глюкоза является осмотически-активным веществом, то есть при увеличении ее уровня концентрации в крови, в соответствии с законами осмотического давления, жидкость из тканей поступает в кровь. В результате обезвоживания тканей наступает относительная дегидратация – потенциально опасный для здоровья человека эффект. Если уровень глюкозы в крови превышает определенное значения (10,0-11,0 ммоль/л), наступает почечный порог – состояние, при котором почки начинают выводить из организма глюкозу с мочой, чтобы компенсировать эффект дегидратации. В этом случае организм теряет свой важный источник энергии – глюкозу.

То есть, в нормальном состоянии уровень глюкозы в крови не должен превышать пороговое значение, в противном случае организм начнет терять один из основных источников энергии, при этом концентрация сахара не должна сильно снижаться, чтобы сохранить полноценное обеспечение энергией нервной системы.

В организме человека глюкоза может накапливаться. Несмотря на то, что в глюкозе, как источнике энергии, нуждаются все клетки организма, разница в ее потребности у разных клеток довольно существенная. Кроме этого, в зависимости от времени суток, потребность в глюкозе клеток одного типа также меняется. Например, потребность миоцитов (клеток мускулатуры) достигает своего максимума при выполнении физической нагрузки и минимума – во время отдыха и сна.

Потребность клеток в глюкозе не всегда совпадает по времени с приемом пищи. Поэтому организм делает депонирует (запасает) глюкозу, которая поступает в организм с пищей, чтобы в дальнейшем, по мере необходимости клеток в энергии, использовать ее. В организме человека есть много видов клеток, способных накапливать глюкозу в ограниченных количествах, основными из которых являются:

Гепатоциты – клетки печени
Миоциты – мышечные клетки
Адипоциты – жировые клетки

Когда потребность организма в глюкозе низкая, а уровень в крови высокий (например, после приема пищи), эти клетки ее отбирают из крови и сохраняют. И наоборот, когда повышается потребность организма в глюкозе, а ее уровень в крови низкий (например, между приемами пищи, во время интенсивной физической нагрузки и т.д.), клетки высвобождают накопленную глюкозу, тем самым компенсируя дефицит.

Мышечные клетки и гепатоциты накапливают глюкозу в виде гликогена, который является высокомолекулярным полимером глюкозы. Гликоген синтезируется из глюкозы путем ферментативного процесса – гликогенеза. Обратный процесс, при котором глюкоза покидает депо, называется гликогенолиз. Процесс гликогенолиза начинается в ответ на снижение уровня глюкозы в крови. Также глюкоза может накапливаться в адипоцитах (жировых клетках) путем липогенеза. При липогенезе глюкоза преобразуется в глицерин, который входит в состав триглицеридов – запасную форму жиров. Чтобы обеспечить клетки энергией, в процессе липолиза триглицериды мобилизуются, покрывая недостаток потребностей организма. Отметим, что процесс липолиза начинается только в том случае, когда в организме исчерпаны запасы гликогена. То есть, жиры обеспечивают долгосрочное депонирование глюкозы, а гликоген – краткосрочное.

Несмотря на то, что на протяжение дня поступление глюкозы в организм и ее расход могут значительно колебаться, концентрация сахара в крови не опускается ниже 3,4 ммоль/л и не увеличивается выше 8,0 ммоль/л. Типичные суточные колебания уровня сахара крови продемонстрированы на рисунке 3.

Рисунок 3. Изменение уровня глюкозы в крови у здорового человека в течение суток

После приема пищи уровень сахара в крови повышается. Попадая в организм с продуктами питания, сахар проникает через стенки кишечника в кровь, откуда поступает в клетки для обеспечения энергетических потребностей. Мышечные клетки и гепатоциты депонируют неиспользованную глюкозу в виде гликогена. В промежутке между приемами пищи уровень сахара в крови снижается, поэтому, для подержания необходимого уровня в крови, глюкоза мобилизуется из депо. При необходимости организм может получать глюкозу путем глюконеогенеза из неуглеводных источников, например, белков.

Все метаболические преобразования глюкозы (гликогенолиз, гликогенез, липолиз и т.д.), а также процесс депонирования в клетках, регулируется эндокринной системой – контролируется гормонами, выделение (секреция) которых зависит от уровня глюкозы в крови.

Самую важную роль в регуляции уровня сахара в крови играют инсулин и глюкагон – гормоны поджелудочной железы.

Инсулин обеспечивает метаболические процессы, благодаря которым уровень глюкозы в крови снижается за счет следующих механизмов:

— с помощью инсулина происходит захват клетками организма глюкозы из крови; при этом от инсулина не зависит захват глюкозы нервными клетками и гепатоцитами;

— инсулин стимулирует гликолиз – процесс внутриклеточного обмена, при котором глюкоза метаболизируется до пировиноградная кислота;

— активирует гликогенез – процесс преобразования миоцитами и гепатоцитами глюкозы в гликоген;

— стимуляция липогенеза – процесс преобразования жировыми клетками глюкозы в триглицериды;

— торможение (ингибирование) глюконеогенеза – процесса синтеза (образования) глюкозы из неуглеводных продуктов (например, протеинов).

В ответ на повышение уровня глюкозы в крови, β-клетки поджелудочной железы продуцируют инсулин. Действие инсулина происходит посредством связей с инсулиновыми рецепторами, находящихся на поверхности инсулиночувствительных клеток. То есть, при повышении концентрации сахара в крови, нормальный гормональный ответ зависит от следующих факторов:

— полноценной функции β-клеток поджелудочной железы, что позволяет продуцировать необходимое количество инсулина;

— функциональной активности и количества инсулиновых рецепторов инсулиночувствительных клеток.

В случае нарушения хотя-бы любого (или обоих) из этих условий, уровень сахара в крови будет высоким.

Глюкагон – гормон, который продуцируется α-клетками поджелудочной железы в ответ на снижение уровня сахара в крови. Является антагонистом инсулина. То есть, эффектом действия глюкагоны является повышение уровня глюкозы в крови, в отличие от эффекта действия инсулина. В случае снижения концентрации сахара в крови, действие глюкагона зависит от следующих факторов:

— повышение интенсивности гликогенолиза – процесса распада гликогена в гепатоцитах;

— увеличение глюконеогенеза – процесса внутриклеточного синтеза глюкозы из неуглеводных продуктов.

На рисунке 3 видно, что уровень сахара в крови повышается после приема пищи в результате усвоения организмом углеводов из потребленных продуктов. В результате, повышение концентрации сахара крови вызывает стимуляцию секреции инсулина β-клетками. Попадая в кровь, инсулин вступает в разные процессы, способствующие снижению концентрации глюкозы в крови. Таким образом начинается индукция секреции глюкагона, что помогает снизить уровень глюкозы. Благодаря непрерывной синергии этих противоположных механизмов, в крови поддерживается оптимальный уровень сахара.

При низком уровне сахара в крови, или при стрессе, в организме сильно повышается секреция трех гормонов:

— соматотропин – гормон роста, синтезируется в передней доле гипофиза;

— адреналин (эпинефрин) – гормон-нейромедиатор, вырабатывается мозговым веществом надпочечников;

— кортизол – глюкокортикоидный гормон, синтезируется в коре надпочечников.

Эти три гормона также способствуют повышению уровня сахара в крови.

То есть, предотвратить чрезмерное понижения уровня глюкозы в крови (гипогликемию), способны четыре гормона: глюкагон, соматотропин, адреналин и кортизол – они способствуют увеличению ее концентрации. А чрезмерное повышение уровня глюкозы в крови способен предотвратить только один гормон – инсулин.

Учитывая вышеизложенные факты, становится очевидной значимость поддержания минимальной концентрации сахара в крови с целью обеспечения нормального функционирования центральной нервной системы. Ниже приведена таблица, в которой кратко резюмирована роль основных гормонов, которые принимают непосредственное участие в регуляции углеводного обмена в организме человека.

Гормоны, регулирующие углеводный обмен

Место синтеза и высвобождения

Возбудитель

Основной эффект (уровень глюкозы в крови)

β-клетки поджелудочной железы

Высокий уровень сахара в крови

α-клетки поджелудочной железы

Низкий уровень сахара в крови

Соматотропин (гормон роста)

Низкий уровень глюкозы в крови и/или стресс

источник

 глюкоза постоянно поступает в клетки печени через трансмембранный переносчик GLUT2; инсулин мобилизует дополнительный трансмембранный переносчик GLUT4, способствуя его встраиванию в плазматическую мембрану гепатоцитов.

 способствует синтезу гликогена из поступающей в гепатоциты глюкозы путём увеличения транскрипции гена глюкокиназы и активирования гликоген синтазы;

 предупреждает распад гликогена путём ингибирования активности гликоген фосфорилазы и глюкозо-6-фосфатазы;

 стимулирует гликолиз и окисление углеводов путём активирования глюкокиназы, фосфофруктокиназы и пируват киназы;

 активирует метаболизм глюкозы через гексозомонофосфатный шунт;

 ускоряет окисление пирувата путём активирования пируватдегидрогеназы;

 подавляет глюконеогенез путём ингибирования активности фосфоенолпируват карбоксикиназы, фруктозо-1,6-бифосфатазы и глюкозо-6-фосфатазы;

 активирует поступление глюкозы в саркоплазму посредством трансмембранного переносчика GLUT4, способствуя его встраиванию в плазматическую мембрану.

 способствует синтезу гликогена из поступающей в гепатоциты глюкозы путём увеличения транскрипции гена гексокиназы и активирования гликоген синтазы;

 стимулирует гликолиз и окисление углеводов путём активирования гексокиназы, фосфофруктокиназы и пируват киназы;

 Жировая ткань. Инсулин влияет на метаболизм адипоцитов следующим образом:

 стимулирует гликолиз, что приводит к образованию -глицерофосфата, идущего на построение триглицеридов;

 ускоряет окисление пирувата путём активирования пируватдегидрогеназы и ацетил-КоА‑карбоксилазы, что благоприятствует синтезу свободных жирных кислот;

 ЦНС. Инсулин практически не оказывает влияния ни на транспорт глюкозы в нервные клетки, ни на их метаболизм. Нейроны головного мозга отличаются от клеток других органов тем, что они используют как основной источник энергии преимущественно глюкозу, но не жирные кислоты. Более того, нервные клетки не приспособлены синтезировать глюкозу. Именно поэтому бесперебойное поступление глюкозы в головной мозг столь важно для функционирования и выживания нейронов.

 Другие органы. Как и ЦНС, многие органы (например, почка и кишечник) не чувствительны к инсулину.

Содержание глюкозы во внутренней среде организма должно находиться в строго ограниченных пределах. Так, натощак концентрация глюкозы в плазме крови колеблется в пределах 60–90 мг% (нормогликемия), увеличивается до 100–140 мг% (гипергликемия) в течение одного часа после еды и обычно в течение 2 часов возвращается к нормальным значениям. Существуют ситуации, когда концентрация глюкозы в плазме крови уменьшается до 60 мг% и ниже (гипогликемия). Необходимость поддержания постоянной концентрации глюкозы в крови диктуется тем, что мозг, сетчатка и некоторые другие клетки и органы в качестве источника энергии используют преимущественно глюкозу. Так, в периоды между приёмами пищи основная часть глюкозы, находящаяся во внутренней среде организме, используется для метаболизма мозга.

 Гомеостаз глюкозы поддерживают следующие механизмы.

 Печень демпфирует колебания концентрации глюкозы. Так, когда содержание глюкозы в крови повышается до высоких концентраций после приёма пищи и объём секреции инсулина увеличивается, то более 60% глюкозы, всосавшейся из кишечника, депонируется в печени в форме гликогена. В последующие часы, когда концентрация глюкозы и секреция инсулина снижаются, печень выделяет глюкозу в кровь.

 Инсулин и глюкагон реципрокно регулируют нормальное содержание глюкозы в крови. Повышение содержания глюкозы выше нормы посредством механизма обратной связи действует на ‑клетки островков Лангерханса и вызывает повышенную секрецию инсулина. что приводит концентрацию глюкозы к норме. Понижение содержания глюкозы ниже нормы тормозит образование инсулина, но стимулирует секрецию глюкагона, что приводит содержание глюкозы к норме.

 Гипогликемия оказывает прямое влияние на гипоталамус, который возбуждает симпатическую нервную систему. В результате адреналин секретируется из надпочечников и увеличивает выделение глюкозы печенью.

 Продолжительная гипогликемия стимулирует выделение СТГ и кортизола, которые уменьшают скорость потребления глюкозы большинством клеток организма, что помогает возвращению концентрации глюкозы в крови к нормальному уровню.

 После приёма пищи всосавшиеся в кишечнике моносахариды, триглицериды и аминокислоты по воротным венам поступают в печень, где различные моносахариды превращаются в глюкозу. Глюкоза в печени хранится в виде гликогена (синтез гликогена происходит также в мышцах), в печени окисляется лишь малая часть глюкозы. Глюкоза, не захваченная гепатоцитами, оказывается в системе общей циркуляции и поступает в различные органы, где окисляется до воды и CO₂.и обеспечивает энергетические потребности этих органов.

 Инкретины. При поступления химуса в кишечник из эндокринных клеток его стенки во внутреннюю среду организма выделяются так называемые инкретины (желудочный ингибирующий пептид, энтероглюкагон [глицентин] и глюкагоноподобный пептид 1), потенцирующие вызванную глюкозой секрецию инсулина.

 Всасывание глюкозы из просвета кишечника происходит при помощи встроенных в апикальную плазматическую мембрану энтероцитов Na + –зависимых транспортёров сочетанного переноса ионов натрия и глюкозы, требующих (в отличие от переносчиков глюкозы GLUT) затрат энергии. Напротив, выход глюкозы из энтероцитов во внутреннюю среду организма, происходящий через плазмолемму их базальной части, происходит путём облегчённой диффузии.

 Фильтрация молекул глюкозы из просвета кровеносных капилляров почечных телец в полость капсулы Боумена–Шумлянского осуществляется пропорционально концентрации глюкозы в плазме крови.

 Реабсорбция. Обычно вся глюкоза реабсорбируется в первой половине проксимальных извитых канальцев со скоростью 1,8 ммоль/мин (320 мг/мин). Реабсорбция глюкозы происходит (как и её всасывание в кишечнике) при помощи сочетанного переноса ионов натрия и глюкозы.

 Секреция. Глюкоза у здоровых лиц не секретируется в просвет канальцев нефрона.

 Глюкозурия. Глюкоза появляется в моче при её содержании в плазме крови свыше 10 мМ.

 Между приёмами пищи глюкоза поступает в кровь из печени, где образуется за счёт гликогенолиза (распад гликогена до глюкозы) и глюконеогенеза (образование глюкозы из аминокислот, лактата, глицерола и пирувата). Из-за малой активности глюкозо-6-фосфатазы глюкоза не поступает в кровь из мышц.

 В покое содержание глюкозы в плазме крови составляет 4,5–5,6 мМ, а общее содержание глюкозы (расчёты для взрослого здорового мужчины) в 15 л межклеточной жидкости — 60 ммоль (10,8 г), что примерно соответствует ежечасному расходу этого сахара. Следует помнить, что ни в ЦНС, ни в эритроцитах глюкоза не синтезируется и не хранится в виде гликогена и в то же время является крайне важным источником энергии.

 Между приёмами пищи преобладают гликогенолиз, глюконеогенез и липолиз. Даже при непродолжительном голодании (24–48 часов) развивается обратимое состояние, близкое к сахарному диабету — голодный диабет. При этом нейроны начинают использовать в качестве источника энергии кетоновые тела.

 При физической нагрузке потребление глюкозы возрастает в несколько раз. При этом увеличиваются гликогенолиз, липолиз и глюконеогенез, регулируемые инсулином, а также функциональными антагонистами инсулина (глюкагон, катехоламины, СТГ, кортизол).

 Глюкагон. Эффекты глюкагона (см. ниже).

 Катехоламины. Физическая нагрузка через гипоталамические центры (гипоталамический глюкостат) активирует симпатоадреналовую систему. В результате уменьшается выброс инсулина из -клеток, увеличивается секреция глюкагона из -клеток, возрастает поступление в кровь глюкозы из печени, усиливается липолиз. Катехоламины также потенцируют вызванное T₃ и T₄ увеличение потребления кислорода митохондриями.

 Гормон роста способствует увеличению содержания глюкозы в плазме крови за счёт усиления гликогенолиза в печени, уменьшения чувствительности мышц и жировых клеток к инсулину (в результате уменьшается поглощение ими глюкозы), а также за счёт стимуляции выброса глюкагона из -клеток.

 Глюкокортикоиды стимулируют гликогенолиз и глюконеогенез, но подавляют транспорт глюкозы из крови в разные клетки.

 Глюкостат. Регуляция содержания глюкозы во внутренней среде организма имеет целью поддержание гомеостаза этого сахара в пределах нормальных значений (концепция глюкостата) и осуществляется на разных уровнях. Выше рассмотрены механизмы поддержания гомеостаза глюкозы на уровне поджелудочной железы и органов–мишеней инсулина (периферический глюкостат). Считают, что центральную регуляцию содержания глюкозы (центральный глюкостат) осуществляют чувствительные к инсулину нервные клетки гипоталамуса, посылающие далее сигналы активации симпатоадреналовой системы, а также к синтезирующим кортиколиберин и соматолиберин нейронам гипоталамуса. Отклонения содержания глюкозы во внутренней среде организма от нормальных значений, о чём судят по содержанию глюкозы в плазме крови, приводят к развитию гипергликемии или гипогликемии.

 Гипогликемия — снижение содержания глюкозы в крови менее 3,33 ммоль/л. Гипогликемия может возникать у здоровых лиц через несколько дней голодания. Клинически гипогликемия проявляется при снижении уровня глюкозы ниже 2,4–3,0 ммоль/л. Ключ к диагностике гипогликемии — триада Уиппла: нервно-психические проявления при голодании, глюкоза крови менее 2,78 ммоль/л, купирование приступа пероральным или внутривенным введением раствора декстрозы (40–60 мл 40% раствора глюкозы). Крайнее проявление гипогликемии — гипогликемическая кома.

 Гипергликемия. Массовое поступление глюкозы во внутреннюю среду организма приводит к увеличению её содержания в крови — гипергликемии (содержание глюкозы в плазме крови превышает 6,7 мМ.). Гипергликемия стимулирует секрецию инсулина из -клеток и подавляет секрецию глюкагона из -клеток островков Лангерханса. Оба гормона блокируют в печени образование глюкозы как в ходе гликогенолиза, так и глюконеогенеза. Гипергликемия — так как глюкоза является осмотически активным веществом — может привести к обезвоживанию клеток, развитию осмотического диуреза с потерей электролитов. Гипергликемия может вызвать повреждение многих тканей, в особенности кровеносных сосудов. Гипергликемия — характерный симптом сахарного диабета.

 Сахарный диабет типа I. Недостаточная секреция инсулина приводит к развитию гипергликемии — повышенного содержания глюкозы в плазме крови. Постоянный дефицит инсулина является причиной развития генерализованного и тяжёлого метаболического заболевания с поражением почек (диабетическая нефропатия), сетчатки (диабетическая ретинопатия), артериальных сосудов (диабетическая ангиопатия), периферических нервов (диабетическая невропатия) — инсулинзависимого сахарного диабета (сахарный диабет типа I, начинается заболевание преимущественно в молодом возрасте). Эта форма сахарного диабета развивается в результате аутоиммунной деструкции -клеток островков Лангерханса поджелудочной железы и значительно реже вследствие мутаций гена инсулина и генов, принимающих участие в синтезе и секреции инсулина. Постоянный дефицит инсулина приводит к массе последствий: например, в печени образуется значительно больше, чем в у здоровых лиц, глюкозы и кетонов, что в первую очередь сказывается на функции почек: развивается осмотический диурез. Поскольку кетоны являются сильными органическими кислотами, то у больных без лечения неизбежен метаболический кетоацидоз. Лечение сахарного диабета типа I — заместительная терапия внутривенным введением препаратов инсулина. В настоящее время применяют препараты рекомбинантного (полученного методами генной инженерии) инсулина человека. Применявшиеся с 30-х годов XX века инсулины свиней и коров отличаются от инсулина человека 1 и 3 аминокислотными остатками, что достаточно для развития иммунологических конфликтов (согласно данным последних рандомизированных клинических испытаний, использовать свиные инсулины можно наравне с инсулином человека. Парадоксально, но факт!)

 Сахарный диабет типа II. При этой форме сахарного диабета («диабет пожилых», развивается преимущественно после 40 лет жизни, встречается в 10 раз чаще, чем сахарный диабет типа I) ‑клетки островков Лангерханса не погибают и продолжают синтезировать инсулин (отсюда другое название заболевания — инсулин-независимый сахарный диабет). При этой болезни либо наблюдается нарушение секреции инсулина (избыточное содержание сахара в крови не увеличивает секрецию инсулина), либо извращена реакция клеток–мишеней на инсулин (развивается нечувствительность — резистентность к инсулину), либо имеют значение оба фактора. Поскольку дефицита инсулина нет, то вероятность развития метаболического кетоацидоза низка. В большинстве случаев лечение сахарного диабета типа II проводят при помощи перорального приёма производных сульфонилмочевины (см. выше раздел «Регуляторы секреции инсулина»).

источник