Регуляция содержания глюкозы в крови биохимия

Нервная регуляция концентрации глюкозы в крови выражается в положительном влиянии n.vagus на секрецию инсулина и тормозящем влиянии на этот процесс симпатической иннервации. Кроме этого, выделение адреналина в кровь подвержено симпатическим влияниям.

Основными факторами гормональной регуляции являются глюкагон, адреналин, глюкокортикоиды, соматотропный гормон с одной стороны, и инсулин с другой. Все гормоны, кроме инсулина, влияя на печень, увеличивают гликемию.

Уменьшение концентрации глюкозы в крови инсулином достигается следующими путями:

  • переход глюкозы в клетки – активация белков-транспортеров ГлюТ 4 на цитоплазматической мембране,
  • вовлечение глюкозы в гликолиз – повышение синтеза глюкокиназы – фермента, получившего название «ловушка для глюкозы», стимуляция синтеза других ключевых ферментов гликолиза – фосфофруктокиназы , пируваткиназы ,
  • увеличение синтеза гликогена – активация гликогенсинтазы и стимуляция ее синтеза, что облегчает превращение излишков глюкозы в гликоген,
  • активация пентозофосфатного пути – индукция синтеза глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназы и 6-фосфоглюконатдегидрогеназы ,
  • усиление липогенеза – вовлечение глюкозы в синтез триацилглицеролов или фосфолипидов.

Многие ткани совершенно нечувствительны к действию инсулина, их называют инсулиннезависимыми. К ним относятся нервная ткань, стекловидное тело, хрусталик, сетчатка, клубочковые клетки почек, эндотелиоциты, семенники и эритроциты.

Глюкагон повышает содержание глюкозы крови:

  • увеличивая мобилизацию гликогена через активацию гликогенфосфорилазы ,
  • стимулируя глюконеогенез – повышение работы ферментов пируваткарбоксилазы , фосфоенолпируват-карбоксикиназы , фруктозо-1,6-дифосфатазы .

Адреналин вызывает гипергликемию:

  • активируя мобилизацию гликогена – стимуляция гликогенфосфорилазы ,

Глюкокортикоиды повышают глюкозу крови

  • за счет подавления перехода глюкозы в клетку,
  • стимулируя глюконеогенез – увеличивают синтез ферментов пируваткарбоксилазы , фосфоенолпируват-карбоксикиназы , фруктозо-1,6-дифосфатазы .

В таблице кратко сформулированы основные аспекты гормональных влияний:

Инсулин
  • Повышение ГлюТ 4-зависимого транспорта глюкозы в клетки
  • Усиление синтеза гликогена
  • Активация ПФП
  • Активация гликолиза и ЦТК
Адреналин
  • Активация гликогенолиза в печени

Глюкагон

  • Активация гликогенолиза в печени
  • Стимуляция глюконеогенеза
  • Усиление глюконеогенеза
  • Уменьшение проницаемости мембран для глюкозы

В качестве итога вышесказанному представлен рисунок:

источник

Нормальный уровень глюкозы в крови составляет 3,5 – 5,55 ммоль.

Гипогликемия– это снижение уровня глюкозы в крови. Различают физиологическую и патологическую гипогликемию.

Причины физиологической гипогликемии:

1) физический труд (повышенные затраты)

2) беременность и лактация

Причины патологической гипогликемии:

1) нарушение депонирования глюкозы в печени

2) нарушение всасывания углеводов в ЖКТ

3) нарушение мобилизации гликогена

6) приём в– ганглиоблокаторов

Гипергликемия– это повышение уровня глюкозы в крови.

2) избыток контринсумерных гормонов, которые препятствуют утилизации глюкозы мышечной тканью и одновременно стимулируют глюконеогенез

5) расстройство мозгового кровообращения

6) заболевания печени воспалительного или дегенеративного характера

Уровень глюкозы в крови является одним из гомеостатических параметров. Регуляция уровня глюкозы в крови – это сложный комплекс механизмов, обеспечивающий постоянство энергетического гомеостаза для наиболее жизненно важных органов (мозг, эритроциты). Глюкоза – главный и едва не единственный субстрат энергетического обмена. Существует два механизма регуляции:

Постоянный (через гормональное влияние)

Срочный механизм срабатывает практически всегда при действии на организм любых экстремальных факторов. Он осуществляется по классической модели (через зрительный анализатор воспринимается информация об опасности. Возбуждение из одного очага в коре распространяется по всем зонам коры. Затем возбуждение передаётся на гипоталамус, где находится центр симпатической нервной системы. По спинному мозгу импульсы поступают в симпатический ствол и по постганглионарным волокнам к коре надпочечников. При этом происходит выброс адреналина, который запускает аденилатциклазный механизм мобилизации гликогена).

Срочный механизм поддерживает стабильную гликемию на протяжении 24 часов. В дальнейшем запас гликогена уменьшается и уже спустя 15 – 16 часов подключается постоянный механизм, в основе которого лежит глюконеогенез. После истощения запасов гликогена, возбуждённая кора продолжает посылать импульсы в гипоталамус. Отсюда выделяются либерины, которые с током крови заносятся переднюю долю гипофиза, которая, в свою очередь, синтезирует в кровоток СТГ, АКТГ, ТТГ, которые в свою очередь стимулируют выброс трийодтиронина и тиреотропина. Эти гормоны стимулируют липолиз. Тиреотропные гормоны активируют протеолиз, в результате чего образуются свободные аминокислоты, которые как и продукты липолиза используются как субстраты глюконеогенеза и цикла трикарбоновых кислот.

В ответ на повышение уровня глюкозы в крови, происходит выброс инсулина, однако вследствие того, что жирные кислоты и выделяемые гормоны выключают гликолиз в мышечной ткани, потребление глюкозы мышцами не происходит, вся глюкоза сохраняется для мозга и эритроцитов.

В условиях длительного воздействия отрицательных факторов на организм (постоянный стресс) может возникнуть дефицит инсулина, что является одной из причин сахарного диабета.

источник

О состоянии обмена углеводов можно судить по содержанию сахара в крови. У здорового человека в крови поддерживается постоянная концентрация глюкозы 70-120 мг%. После приема пищи, содержащей углеводы, концентрация глюкозы в крови возрастает примерно до 150мг % и остается на этом уровне около 2 часов, а затем возвращается к норме. Содержание глюкозы в крови — одна из самых важных констант жидкой внутренней среды организма. Ведущая роль в поддержании этой константы на постоянном уровне благодаря идущим там процессам гликогенеза и гликогенолиза принадлежит печени. Длительное повышение содержания глюкозы в крови — гипергликемия стимулирует выделение в кровь инсулина. Инсулин снижаетсодержание глюкозы в крови после возрастания ее концентрации (гипергликемии).

У здорового человека в период между приемами пищи нормальное содержание глюкозы в крови поддерживается путем распада гликогена в печени с образованием свободной глюкозы — процессом гликогенолиза. При снижении сахара крови — гипогликемии, длящейся более длительное время, в кровь поступает глюкагон — гормон, выделяемыйподжелудочной железой. Инсулин, гормон поджелудочной железы, стимулирует процессы синтеза гликогена в печени — гликогенез, поглощение глюкозы клетками других тканей организма, подавляет образование глюкозы, т.е. процессы глюконеогенеза. Инсулин — главный гормон. Этот гормон обладает специфическим действием: он действует исключительно на процессы гликогенолиза, ускоряя образование глюкозы.

При голодании, длящемся более 24 часов, запасы гликогена в печени истощаются. В прессы регуляции включаются гормоны коры надпочечника — глюкокортикоиды. Глюкокортикоиды, во-первых, усиливают глюконеогенез в печени; во-вторых, обеспечивает процессы глюконеогенеза субстратом, усиливая распад белков в тканях организма, они предоставляют для глюконеогенеза углеродсодержащий субстрат. К гормонам, которые обеспечивают повышение сахара крови, относятся адреналин и гормон роста.

Адреналин — гормон мозгового вещества надпочечника. Он усиливает процессы перехода гликогена в глюкозу. Гормон роста, во-первых, подавляет использование глюкозы клетками тканей; во-вторых, при резком и длительном снижении сахара крови стимулирует распад жиров и образование из них углеводов.

Дыхание.Все живые организмы дышат, т. е. поглощают кислород и выделяют углекислый газ и воду. При этом происходит разложение органических веществ и выделение энергии, необходимой для жизни каждой клетки, всего растения.

В действительности этот процесс многоступенчатый. Он состоит из целого ряда последовательно идущих окислительно-восста-новительных реакций. В качестве органических веществ, необходимых для дыхания, служат в основном углеводы, белки и жиры. Типичным соединением, окисляемым в процессе дыхания, является глюкоза. Энергетически наиболее выгодным для дыхания веществом является жир. 1 г жира при окислении до СО2 и Н2О дает 9,2 ккал, белки — 5,7 ккал, углеводы — 4 ккал. Процесс превращения исходного органического вещества до более простых и затем до СО2 и Н2О требует большого числа различных ферментов.

В процессе фотосинтеза растения синтезируют углеводы, которые транс­портируются из листьев в другие органы. На свету и в темноте клетки растения «дышат», окисляя углеводы молекулярным кислородом с образованием СО2 и воды. При этом освобождается большое количество свободной энергии:

С6Н12О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О + энергия;
G = -2882 кДж/моль (-686 ккал/моль)

Эта формула в общем виде отражает чрезвычайно сложный, а главное, кон­тролируемый процесс, который условно можно разбить на три этапа: гликолиз, цикл трикарбоновых кислот и окислительное фосфорилирование в дыхательной цепи (рис. 1).

Гликолиз и цикл трикарбоновых кислот — это биохимические пути окисле­ния глюкозы, протекающие соответственно в цитозоле и матриксе митохонд­рий. В биохимических реакциях синтезируется небольшое количество АТФ, и главный их результат — образование соединений с высоким восстановитель­ным потенциалом — НАДН и ФАДН2. На заключительном этапе восстановительные эквиваленты окисляются в электрон-транспортной цепи, локализованной во внутренней мембране митохондрий. Перенос электрона в цепи за­вершается восстановлением кислорода до воды. В процессе электронного транспорта на мембране образуется электрохимический протонный градиент ΔµἨ, энергия которого используется для синтеза АТФ из АДФ и Фн. Процесс, в котором работа дыхательной цепи сопряжена с синтезом АТФ, получил на­звание окислительного фосфорилирования. Именно в этом процессе синтезиру­ется основная масса АТФ, образуемого при дыхании.

И у растений, и у животных дыхание выполняет три основные функции. Во-первых, освобождаемая при окислении углеводов энергия преобразуется в конвертируемые формы клеточной энергии — ΔµἨи АТФ. Вторая, не менее важная функция — снабжение клетки метаболитами, которые образуются в ходе окисления глюкозы и используются в разнообразных биосинтезах. Третья функция связана с термогенезом, т. е. рассеиванием энергии в виде тепла. Про­цесс дыхания принципиально сходен у животных и растений, но у последних имеет свои особенности. Все вместе они отражают пластичность растительного метаболизма и связаны с функционированием, наряду с основными, альтер­нативных ферментов и реакций. Наличие альтернативных путей расширяет адап­тивные возможности растений, но усложняет (с точки зрения исследователя) систему регуляции метаболических процессов.

Рис. 1. Основные этапы дыхания

Окисление глюкозы в процессе гликолиза сопровождается восстановлением двух молекул НАД + , синтезом двух молекул АТФ и завершается образованием двух молекул пирувата. В митохондриях пируват подвергается полному окислению до СО2 в реакциях, катализируемых пируватдегидрогеназным комплексом (ПДК) и ферментами цикла трикарбоновых кислот (ЦТК). В этих процессах образуются 4НАДН, 1ФАДН2, а также одна молекула АТФ. Восстановительные эквива­ленты окисляются, отдавая электроны в электрон-транспортную цепь, локализованную во внутренней митохондриальной мембране. Электронный транспорт приводит к восстановлению кислорода до воды и сопряжен с синтезом основной массы АТФ в процессе окислительного фосфорилирования.

Основные события, связанные с дыханием, происходят в митохондриях. Растительные митохондрии, как правило, сферической или цилиндрической формы, их число может сильно варьировать в зависимости от метаболической активности клетки. Две мембраны, наружная и внутренняя, делят митохонд­рию на два функциональных компартмента — межмембранное пространство и матрикс (рис. 2).

Рис. 2. Структура митохондрий
Особые белки, называемые поринами, образуют в наружной мембране крупные гидрофильные каналы, или поры, через которые в меж­мембранное пространство из цитозоля свободно могут проникать соединения с молекулярной массой не более 10 кДа. Это практически все основные мета­болиты клетки. Внутренняя мембрана образует многочисленные складки, кри-сты, которые увеличивают ее поверхность. Во внутреннюю мембрану интегри­рованы электрон-транспортная цепь (ЭТЦ) и АТФ-синтаза. В отличие от дру­гих клеточных мембран внутренняя мембрана митохондрий обогащена белком (75 %) и содержит особый фосфолипид (дифосфатидилглицерол) — кардиолипин. Она пропускает газы, воду и небольшие липофильные молекулы, но непроницаема для заряженных молекул и ионов, что является обязательным условием ее функционирования как сопрягающей мембраны. Однако в мемб­ране есть белки — транспортеры, с помощью которых возможен обмен мета­болитами между матриксом и цитозолем . Матрикс, т. е. окруженное внутренней мембраной пространство, содержит ферменты цикла трикарбоновых кислот.

ГЛЮКОЗА — ОСНОВНОЙ СУБСТРАТ ДЫХАНИЯ У РАСТЕНИЙ
Основным субстратом дыхания у растений являются глюкоза и ее произ­водные, хотя в особых случаях дыхание могут поддерживать белки и жиры, запасенные в семенах. Глюкоза образуется в клетках растений при гидролизе крахмала и сахарозы — продуктов фотосинтеза. Крахмал представляет собой смесь двух полисахаридов — амилозы и амилопектина. Молекулы амилозы — это длинные, неразветвленные цепи α-D-глюкопиранозных остатков, соеди­ненных гликозидными α(1→4)-связями. Молекулы амилопектина также представлены цепями α -D-глюкопиранозных остатков, которые в точке ветвления образуют а(1→6)-связь. Крахмал как запасный полисахарид накапливается в хлоропластах и пластидах гетеротрофных тканей. Некоторые растения — топи­намбур (Heliantus tuberosus), георгин (Dahlia sp.) в качестве запасных углеводов могут использовать инулин и гемицеллюлозы. Сахароза — это дисахарид, обра­зованный остатками глюкозы и фруктозы. Она синтезируется в цитозоле, из фотосинтезирующих клеток по апопласту листа и сосудам флоэмы транспор­тируется в другие органы растения.
Крахмал расщепляется до моносахаридов при участии ряда ферментов (α- и β-амилазы, α-1,6-глюкозидазы, крахмалфосфорилазы и др.) с образованием D-глюкозы или D-глюкозо-1-фосфата. Распад сахарозы может идти при обра­щении реакций ее синтеза, но в основном происходит в результате гидролиза при участии фермента инвертазы:
сахароза + Н2О → фруктоза + глюкоза

В геноме таких растений, как томат (Lycopersicon esculentum), кукуруза (Zea mays), арабидопсис (Arabidopsis thaliana), морковь (Dancus carota), обнаружено целое семейство ядерных генов, кодирующих разные изоформы инвертазы. Например, у моркови кислые инвертазы (оптимум рН 4,5 — 5,0) в пяти разных изоформах присутствуют в вакуоли и клеточной стенке. В цитозоле есть нейт­ральная инвертаза (оптимум рН 7,0—8,0), которая также может иметь несколько изоформ. Таким образом, у растений гидролиз сахарозы может идти в разных клеточных компартментах и контролируется сложным образом через актив­ность инвертаз, обладающих разными свойствами.

Брожение- процесс анаэробного расщепления органических веществ, преимущественно углеводов, происходящий под влиянием микроорганизмов или выделенных из них ферментов. В ходе брожение в результате сопряженных окислительно-восстановительных реакций освобождается энергия, необходимая для жизнедеятельности микроорганизмов, и образуются химические соединения, которые микроорганизмы используют для биосинтеза аминокислот, белков, органических кислот, жиров и др. компонентов тела. Одновременно накапливаются конечные продукты брожение. В зависимости от их характера различают брожение спиртовое, молочнокислое, маслянокислое, пропионовокислое, ацетоно-бутиловое, ацетоно-этиловое и др. виды. Характер брожение, его интенсивность, количественные соотношения конечных продуктов, а также направление брожениезависят от особенностей его возбудителя и условий, при которых брожение протекает (pH, аэрация, субстрат и др.).

Спиртовое Брожение. В 1836 французский учёный Каньяр де ла Тур установил, что спиртовое брожение связано с ростом и размножением дрожжей. Химическое уравнение спиртового брожение: C6H12O6 ® 2C2H5OH + 2CO2 было дано французскими химиками А. Лавуазье (1789) и Ж. Гей-Люссаком (1815). Л. Пастер пришёл к выводу (1857), что спиртовое брожение могут вызывать только живые дрожжи в анаэробных условиях («брожение — это жизнь без воздуха»). В противовес этому немецкий учёный Ю. Либих упорно настаивал на том, что брожение происходит вне живой клетки. На возможность бесклеточного спиртового брожение впервые (1871) указала русский врач-биохимик М. М. Манассеина.

Читайте также:  Уровень сахара в крови после еды при сахарном диабете

Немецкий химик Э. Бухнер в 1897, отжав под большим давлением дрожжи, растёртые с кварцевым песком, получил бесклеточный сок, сбраживающий сахар с образованием спирта иCO2. При нагревании до 50°C и выше сок утрачивал бродильные свойства. Всё это указывало на ферментативную природу активного начала, содержащегося в дрожжевом соке. Русский химик Л. А. Иванов обнаружил (1905), что добавленные к дрожжевому соку фосфаты в несколько раз повышают скорость брожение.

Исследования отечественных биохимиков А. И. Лебедева, С. П. Костычева, Я. О. Парнаса и немецких биохимиков К. Нейберга, Г. Эмбдена, О. Мейергофа и др. подтвердили, что фосфорная кислота участвует в важнейших этапах спиртового брожение

В дальнейшем многие исследователи детально изучили ферментативную природу и механизм спиртового брожение (см. схему). Первая реакция превращения глюкозы при спиртовом брожение — присоединение к глюкозе под влиянием фермента глюкокиназы остатка фосфорной кислоты отаденозинтрифосфорной кислоты (АТФ, см. Аденозинфосфорные кислоты). При этом образуются аденозиндифосфорная кислота (АДФ) и глюкозо-6-фосфорная кислотата. Последняя под действием фермента глюкозофосфати-зомеразы превращается в фруктозо-6-фосфорную кислоту, которая, получая от новой молекулы АТФ (при участии фермента фосфофруктокиназы) ещё один остаток фосфорной кислоты, превращается в фруктозо-1,6-дифосфорную кислоту. (Эта и следующая реакции, обозначенные встречными стрелками, обратимы, т. е. их направление зависит от условий — концентрации фермента, pH и др.) Под влиянием фермента кетозо-1-фосфатальдолазы фруктозо-1,6-дифосфорная кислота расщепляется на глицеринальдегидфосфорную и диоксиацетонфосфорную кислоты которые могут превращаться друг в друга под действием фермента триозофосфатизомеразы. Глицеринальдегидфосфорная кислота, присоединяя молекулу неорганической фосфорной кислоты и окисляясь под действием фермента дегидрогеназы фосфоглицеринальдегида, активной группой которого у дрожжей является никотинамидадениндинуклеотид (НАД), превращается в 1,3-дифосфоглицериновую кислоту. Молекула диоксиацетонфосфорной кислоты под действием триозофосфатизомеразы даёт вторую молекулу глицеринальдегидфосфорной кислоты, также подвергающуюся окислению до 1,3-дифосфоглицериновой кислоты; последняя, отдавая АДФ (под действием фермента фосфоглицераткиназы) один остаток фосфорной кислоты, превращается в З-фосфоглицериновую кислоту, которая под действием фермента фосфоглицеро-мутазы превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту, а она под влиянием фермента фосфопируват-гидратазы — в фосфоенол-пировиноградную кислоту. Последняя при участии фермента пируваткиназы передаёт остаток фосфорнойкислоты молекуле АДФ, в результате чего образуется молекула АТФ и молекула енолпировиноградной кислоты, которая весьма нестойка и переходит в пировиноградную кислоту. Эта кислота при участии имеющегося в дрожжах фермента пируватдекарбоксилазы расщепляется на уксусный альдегид и двуокись углерода. Уксусный альдегид, реагируя с образовавшейся при окислении глицеринальдегидфосфорной кислоты восстановленной формой никотинамидадениндинуклеотида (НАД-Н), при участии фермента алкогольдегидрогеназы превращается в этиловый спирт. Суммарно уравнение спиртового брожение может быть представлено в следующем виде:

Т. о., при сбраживании 1 моля глюкозы образуются 2 моля этилового спирта, 2 моля CO2, а также в результате фосфорилирования 2 молей АДФ образуются 2 моля АТФ. Термодинамические расчёты показывают, что при спиртовом брожение превращение 1 моля глюкозы может сопровождаться уменьшением свободной энергии примерно на 210 кдж (50 000 кал), т. е. энергия, аккумулированная в 1 моле этилового спирта, на 210 кдж (50 000 кал) меньше энергии 1 моля глюкозы. При образовании 1 моля АТФ (макроэргических — богатых энергией фосфатных соединений) используется 42 кдж (10 000 кал). Следовательно, значительная часть энергии, освобождающейся при спиртовом брожение, запасается в виде АТФ, обеспечивающей разнообразные энергетические потребности дрожжевых клеток. Такое же биологическое значение имеет процесс брожение и у др. микроорганизмов. При полном сгорании 1 моля глюкозы (с образованием CO2 и H2O) изменение свободной энергии достигает 2,87 Мдж (686 000 кал). Иначе говоря, дрожжевая клетка использует лишь 7% энергии глюкозы. Это показывает малую эффективность анаэробных процессов по сравнению с процессами, идущими в присутствии кислорода. При наличии кислорода спиртовое брожение угнетается или прекращается и дрожжи получают энергию для жизнедеятельности в процессе дыхания. Наблюдается тесная связь между брожением и дыханием микроорганизмов, растений и животных. Ферменты, участвующие в спиртовом брожение, имеются также в тканях животных и растений. Во многих случаях первые этапы расщепления сахаров, вплоть до образования пировиноградной кислоты, — общие для брожение и дыхания. Большее значение процесс анаэробного распада глюкозы имеет и при сокращении мышц , первые этапы этого процесса также сходны с начальными реакциями спиртового брожение.

Сбраживание углеводов (глюкозы, ферментативных гидролизатов крахмала, кислотных гидролизатов древесины) используется во многих отраслях промышленности: для получения этилового спирта, глицерина и др. технических и пищевых продуктов. На спиртовом Брожение основаны приготовление теста в хлебопекарной промышленности, виноделие и пивоварение.

Молочнокислое Брожение. Молочнокислые бактерии подразделяют на 2 группы — гомоферментативные и гетероферментативные. Гомоферментативные бактерии (например, Lactobacillus delbrückii) расщепляют моносахариды с образованием двух молекул молочной кислоты в соответствии с суммарным уравнением:

Гетероферментативные бактерии (например, Bacterium lactis aerogenes) ведут сбраживание с образованием молочной кислоты, уксусной кислоты, этилового спирта и CO2, а также образуют небольшое количество ароматических. веществ — диацетила, эфиров и т.д.

При молочнокислом брожение превращение углеводов, особенно на первых этапах, близко к реакциям спиртового брожение, за исключением декарбоксилирования пировиноградной кислоты, которая восстанавливается до молочной кислоты за счёт водорода, получаемого от НАД-Н. Гомоферментативное молочнокислое брожение используется для получения молочной кислоты, при изготовлении различных кислых молочных продуктов, хлеба и в силосовании кормов в сельском хозяйстве. Гетероферментативное молочнокислое брожение происходит при консервировании различных плодов и овощей путём квашения.

Маслянокислое Брожение. Сбраживание углеводов с преимущественным образованием масляной кислоты производят многие анаэробные бактерии, относящиеся к роду Clostridium. Первые этапы расщепления углеводов при маслянокислом Брожение аналогичны соответстветственным этапам спиртового брожение, вплоть до образования пировиноградной кислоты, из которой при маслянокислом брожение образуется ацетил-кофермент A (CH3CO-KoA). Ацетил-KoA может служить предшественником масляной кислоты, подвергаясь следующим превращениям:

Маслянокислое Брожение применялось для получения масляной кислоты из крахмала.

Ацетоно-бутиловое брожение бактерии Clostridium acetobutylicum сбраживают углеводы с преим. образованием бутилового спирта (CH3CH2CH2CH2OH) и ацетона (CH3COCH3). При этом образуются также в сравнительно небольших количествах водород, CO2, уксусная, масляная кислоты, этиловый спирт. Первые этапы расщепления углеводов те же, что и при спиртовом брожении. Бутиловый спирт образуется путём восстановления масляной кислоты:

Ацетон же образуется декарбоксилированием ацетоуксусной кислоты, которая получается в результате конденсации двух молекул уксусной кислоты. Исследованиями В. Н. Шапошникова показано, что ацетоно-бутиловое брожение (как и ряд др., например пропионовокислое, маслянокислое) в опытах с растущей культурой происходит в две фазы. В первую фазу брожение параллельно с нарастанием биомассы накапливаются уксусная и масляная кислоты; во вторую фазу образуются преимущественно ацетон и бутиловый спирт. При ацетоно-бутиловом брожение сбраживаются моносахариды, дисахариды и полисахариды — крахмал, инсулин, но не сбраживаются клетчатка и гемицеллюлоза. Ацетоно-бутиловое брожение использовалось для промышленного получения бутилового спирта и ацетона, применяемых в химической и лакокрасочной промышленности.
Сбраживание белков. Некоторые бактерии из рода Clostridium — гнилостные анаэробы — способны сбраживать не только углеводы, но и аминокислоты. Эти бактерии более приспособлены к использованию белков, расщепляемых ими при помощи протеолитических ферментов до аминокислот, которые затем подвергаются брожение. Процесс сбраживания белков имеет значение в круговороте веществ в природе.

Пропионовокислое Брожение.
Основные продукты пропионовокислого брожение, вызываемого несколькими видами бактерий из рода Propionibacterium, — пропионовая (CH3CH2OH) и уксусная кислоты и CO2. Химизм пропионовокислого брожение сильно изменяется в зависимости от условий. Это, по-видимому, объясняется способностью пропионовых бактерий перестраивать обмен веществ, например в зависимости от аэрации. При доступе кислорода они ведут окислительный процесс, а в его отсутствии расщепляют гексозы путём брожение. Пропионовые бактерии способны фиксировать CO2, при этом из пировиноградной к-ты и CO2 образуется щавелевоуксусная к-та, превращающаяся в янтарную к-ту, из которой декарбоксилированием образуется пропионовая к-та:

Существуют брожение, которые сопровождаются и восстановительными процессами. Примером такого «окислительного» брожение служит лимоннокислое брожение. Многие плесневые грибы сбраживают сахара с образованием лимонной кислоты. Наиболее активные штаммы Aspergillus niger превращают до 90% потребленного сахара в лимонную кислоту. Значительная часть лимонной кислоты, используемой в пищевой промышленности, производится микробиологическим путём — глубинным и поверхностным культивированием плесневых грибов.

Иногда по традиции и чисто окислительные процессы, осуществляемые микроорганизмами, называется брожение. Примерами таких процессов могут служить уксуснокислое и глюконовокислое брожение.

Уксуснокислое Брожение. Бактерии, относящиеся к роду Acetobacter, окисляют этиловый спирт в уксусную кислоту в соответствии с суммарной реакцией:

Промежуточное соединение при окислении спирта в уксусную кислоту — уксусный альдегид. Многие уксуснокислые бактерии, кроме окисления спирта в уксусную кислоту, осуществляют окисление глюкозы в глюконовую и кетоглюконовую кислоты.

Глюконовокислое Брожение осуществляют и некоторые плесневые грибы, способные окислять альдегидную группу глюкозы, превращая последнюю в глюконовую кислоту:

Кальциевая соль глюконовой кислоты служит хорошим источником кальция для людей и животных.

источник

Гормоны, повышающие концентра­цию глюкозы в крови, называются гипергликемическими, к ним относятся: глюкагон, катехоламины, глюкокортикосте-роиды и соматотропин (соматотропный гормон). Гормоны, снижающие концентрацию глюкозы в крови, называются гипогликемическими. Гипогликемическим гормоном является инсулин. Гиперг­ликемические гормоны повышают глюкозу крови за счет усиления распада гликогена печени и стимуляции ГНГ. Инсулин снижает глюкозу крови благо­даря: 1) увеличению проницаемости клеточных мембран для глюкозы; 2) ингибированию процессов, поставляющих глюкозу (ГНГ, распад гликогена печени); 3) усилению процессов, использующих глюкозу (гликолиз, синтез гликогена, ПФП. синтез жира).

Патологии углеводного обмена

Среди патологий углеводного обмена можно выделить такие, причиной ко­торых является наследственная или приобретенная недостаточность ферментов. К таким болезням относятся дисахаридозы, гликогенозы, агликоге­нозы, галактоземия.

Дисахаридозы вызваны недостаточностью дисахаридаз. При этом возникает непереносимость отдельных видов углеводов, например лактозы. Дисахариды подвергаются действию ферментов микрофлоры кишечника. При этом образуются кислоты и газы. Симптомами дисахаридозов являются метеоризм, понос.

Гликогенозы. В этом случае нарушен распад гликогена. Гликоген накапли­вается в клетках в больших количествах, что может привести к их разруше­нию. Клинические симптомы: увеличение размеров печени, мышечная сла­бость, гипогликемия натощак. Известно несколько типов гликогенозов. Они могут быть вызваны недостаточностью глюкозо-6-фосфатазы, фосфорилазы или g-ами-лазы.

Агликогенозы вызываются недостаточностью ферментов, участвующих в синтезе гликогена. В результате нарушается синтез гликогена и снижается его содержание в клетках. Симптомы: резкая гипогликемия натощак, особенно после ночного перерыва в кормлении. Гипогликемия приводит к отставанию в умственном развитии. Больные погибают в детском возрасте.

Галактоземия возникает при отсутствии гена, отвечающего за синтез уридил­трансферазы – ключевого фермента унификации галактозы. В результате в тканях накапливается галактоза и галактозо-1-фосфат, вызывая повреждение головного мозга и печени, а также помутнение хрусталика (катаракту). Свободная галактоза у таких больных в больших количествах обнаруживается в крови. Для лечения используется диета без молока и молочных продуктов.

Другим видом патологий углеводного обмена является нарушение го­меостаза глюкозы, которое характеризуется гипер- или гипогликемией.

Гипергликемия — это повышение концентрации глюкозы в крови. При­чиныгипергликемии:1) алиментарная (пищевая); 2) сахарный диабет (возникает при недостатке инсулина); 3) патология ЦНС (менингит, энцефа­лит); 4) стресс; 5) избыток гипергликемических гормонов; 6) повреждение островков поджелудочной железы (панкреатит, кровоизлияния). Невысокая и кратковременная гипер-гликемия не опасна. Длительная гипергликемия приводит к истощению запасов инсулина (что является одной из причин сахарного диабета), потере воды тканями, поступлению ее в кровь, увеличению кровяного давления, увеличе­нию диуреза. Гипергликемия в 50-60 ммоль/л может привести к гиперосмо­лярной коме.

Длительная гипергликемия приводит к неферментативному гликозили­рованию белков плазмы крови, эритроцитов, кровеносных сосудов, почеч­ных канальцев, нейронов, хрусталика, коллагена. Это изме­няет их свойства, что является причиной тяжелых осложнений: тканевых гипоксий, склерозирования сосудов, катаракты, почечной недостаточности, нарушения нервной проводимости, снижения срока жизни эритроцитов и т.д.

Гипогликемияэто снижение концентрации глюкозы в крови.

Причины гипогликемии: 1) пищевая; 2) усиленное использование глюкозы (при тяжелой мышечной ра­боте); 3) патология ЖКТ (воспалительные процессы); 4) патология печени; 5) пато­логия ЦНС; 6) недостаток гипергликемических гормонов; 7) избыток инсулина (опухоль поджелудочной железы, передозировка инсулина).Гипогликемия очень опасна, так как приводит к гипогликемической коме.

Раздел 3. Лабораторно-практические занятия

Дата добавления: 2015-07-13 ; Просмотров: 650 ; Нарушение авторских прав? ;

источник

Результат регуляции метаболических путей превращения глюкозы — постоянство концентрации глюкозы в крови.

Концентрация глюкозы в артериальной крови в течение суток поддерживается на постоянном уровне 60-100 мг/дл (3,3-5,5 ммоль/л). После приёма углеводной пищи уровень глюкозы возрастает в течение примерно 1 ч до 150 мг/дл (

8 ммоль/л, алиментарная гипергликемия), а затем возвращается к нормальному уровню (примерно через 2 ч). На рисунке 7-59 представлен график изменений концентрации глюкозы в крови в течение суток при трёхразовом приёме пищи.

Рис. 7-59. Изменение концентрации глюкозы в крови в течение суток. А, Б — период пищеварения; В, Г — постабсорбтивный период. Стрелкой указано время приёма пищи, пунктиром показана нормальная концентрация глюкозы.

А. Регуляция содержания глюкозы в крови в абсорбтивном и постабсорбтивном периодах

Для предотвращения чрезмерного повышения концентрации глюкозы в крови при пищеварении основное значение имеет потребление глюкозы печенью и мышцами, в меньшей мере — жировой тканью. Следует напомнить, что более половины всей глюкозы (60%), поступающей из кишечника в воротную вену, поглощается печенью. Около 2/3 этого количества откладывается в печени в форме гликогена, остальная часть превращается в жиры и окисляется, обеспечивая синтез АТФ. Ускорение этих процессов инициируется повышением инсулин-глюкагонового индекса. Другая часть глюкозы, поступающей из кишечника, попадает в общий кровоток. Примерно 2/3 этого количества поглощается мышцами и жировой тканью. Это обусловлено увеличением проницаемости мембран мышечных и жировых клеток для глюкозы под влиянием высокой концентрации инсулина. Глюкоза в мышцах откладывается в форме гликогена, а в жировых клетках превращается в жиры. Остальная часть глюкозы общего кровотока поглощается другими клетками (инсулинонезависимыми).

Читайте также:  Метформин как подобрать дозу

При нормальном ритме питания и сбалансированном рационе концентрация глюкозы в крови и снабжение глюкозой всех органов поддерживается главным образом за счёт синтеза и распада гликогена. Лишь к концу ночного сна, т. е. к концу самого большого перерыва между приёмами пищи, может несколько увеличиться роль глюконеогенеза, значение которого будет возрастать, если завтрак не состоится и голодание продолжится (рис. 7-60).

Рис. 7-60. Источники глюкозы в крови в период пищеварения и во время голодания. 1 — в период пищеварения углеводы пищи являются основным источником глюкозы в крови; 2 — в постабсорбтивный период печень поставляет глюкозу в кровь за счёт процессов гликогенолиза и глюконеогенеза, причём в течение 8-12 ч уровень глюкозы в крови поддерживается в основном за счёт распада гликогена; 3 — глюконеогенез и гликоген в печени участвуют в равной степени в поддержании нормальной концентрации глюкозы; 4 — в течение суток гликоген печени практически полностью исчерпывается, и скорость глюконеогенеза увеличивается; 5 — при длительном голодании (1 нед и более) скорость глюконеогенеза уменьшается, но глюконеогенез остаётся единственным источником глюкозы в крови.

Б. Регуляция содержания глюкозы в крови при длительном голодании

При голодании в течение первых суток исчерпываются запасы гликогена в организме, и в дальнейшем источником глюкозы служит только глюконеогенез (из лактата, глицерина и аминокислот). Глюконеогенез при этом ускоряется, а гликолиз замедляется вследствие низкой концентрации инсулина и высокой концентрации глюкагона (механизм этого явления описан ранее). Но, кроме того, через 1-2 сут существенно проявляется действие и другого механизма регуляции — индукции и репрессии синтеза некоторых ферментов: снижается количество гликолитических ферментов и, наоборот, повышается количество ферментов глюконеогенеза. Изменение синтеза ферментов также связано с влиянием инсулина и глюкагона (механизм действия рассматривается в разделе 11).

Начиная со второго дня голодания достигается максимальная скорость глюконеогенеза из аминокислот и глицерина. Скорость глюконеогенеза из лактата остаётся постоянной. В результате синтезируется около 100 г глюкозы ежесуточно, главным образом в печени.

Следует отметить, что при голодании глюкоза не используется мышечными и жировыми клетками, поскольку в отсутствие инсулина не проникает в них и таким образом сберегается для снабжения мозга и других глюкозозависимых клеток. Поскольку при других условиях мышцы — один из основных потребителей глюкозы, то прекращение потребления глюкозы мышцами при голодании имеет существенное значение для обеспечения глюкозой мозга. При достаточно продолжительном голодании (несколько дней и больше) мозг начинает использовать и другие источники энергии (см. раздел 8).

Вариантом голодания является несбалансированное питание, в частности такое, когда по калорийности рацион содержит мало углеводов — углеводное голодание. В этом случае также активируется глюконеогенез, и для синтеза глюкозы используются аминокислоты и глицерол, образующиеся из пищевых белков и жиров.

В. Регуляция содержания глюкозы в крови в период покоя и вовремя физической нагрузки

Как в период покоя, так и во время продолжительной физической работы сначала источником глюкозы для мышц служит гликоген, запасённый в самих мышцах, а затем глюкоза крови. Известно, что 100 г гликогена расходуется на бег примерно в течение 15 мин, а запасы гликогена в мышцах после приёма углеводной пищи могут составлять 200-300 г. На рисунке 7-61 представлены значения гликогена печени и глюконеогенеза для обеспечения глюкозой работы мышц разной интенсивности и продолжительности. Регуляция мобилизации гликогена в мышцах и печени, а также глюконеогенеза в печени описана ранее (главы VII, X).

Рис. 7-61. Вклад гликогена печени и глюконеогенеза в поддержание уровня глюкозы крови в период покоя и во время продолжительных физических упражнений. Тёмная часть столбика — вклад гликогена печени в поддержание уровня глюкозы в крови; светлая — вклад глюконеогенеза. При увеличении продолжительности физической нагрузки с 40 мин (2) до 210 мин (3) распад гликогена и глюконеогенез практически в равной степени обеспечивают кровь глюкозой. 1 — состояние покоя (постабсорбтивный период); 2, 3 — физическая нагрузка.

Итак, изложенные сведения позволяют сделать вывод о том, что координация скоростей гликолиза, глюконеогенеза, синтеза и распада гликогена с участием гормонов обеспечивает:

• предотвращение чрезмерного повышения концентрации глюкозы в крови после приёма пищи;

• запасание гликогена и его использование в промежутках между приёмами пищи;

• снабжение глюкозой мышц, потребность которых в энергии быстро возрастает при мышечной работе;

• снабжение глюкозой клеток, которые при голодании в качестве источника энергии используют преимущественно глюкозу (нервные клетки, эритроциты, мозговое вещество почек, семенники).

источник

Билет 3,10 Источники и пути расходования глюкозы кровью. Регуляция содержания глюкозы в крови инсулин,глюкагон, адреналин, глюкокортикоиды

Главные источники глюкозы – сахароза и крахмал, поступающие в организм с пищей, запасы гликогена в печени, а также глюкоза, образующаяся в тканях в результате биохимических реакций (глюконеогенез). Метаболизм глюкозы имеет две важные особенности. Первая – запасание полисахарида гликогена, особенно в печени и в мышцах. Гликоген может быть быстро использован в качестве источника глюкозы, и, следовательно, и энергии для работы мышц. Вторая особенность, состоит в том, что многие ткани, например мозг, клетки крови, мозговое вещество надпочечников и семенники, получают практически всю необходимую энергию за счет окисления глюкозы.

Инсулин. Единственный гормон понижающий содержание сахара в крови. Повышает проницаемость мембран клеток для глюкозы в жировой и мышечной ткани. Стимулирует утилизацию глюкозы в клетках печени, мышечной и жировой ткани.

1) ингибирует глюконеогенез в печени, повышая уровень фруктозо-2,6,бифосфата,ингибирует глюкозо-6 фосфатазу и синтез фосфоенолпируваткарбоксиназы 2)уменьшает распад гликогена(инактивируя киназу фосфорилазы) и повышает его синтез(активирует гликогенсинтазу) 3)интенсифицирует реакции гликолиза(повышает активность и количество ключевых ферментов-глюко и гексокиназы,фосфофруктокиназы, пируваткиназы) 4) повышает активность ферментов пентозофосфатного цикла-генератор молекул НАДФН необходимых для синтеза ЖК) 5)в мышечной и жировой ткани инсулин усиливает поступление глюкозы в клетки (увеличение числа GLUT-4)

Ингибирует аденилатциклазу, активирует фосфодиэстеразу, снижает концентрацию ц-АМФ, поэтому тормозит распад гликогена (фосфорилаза), стимулирует синтез гликогена (гликогенсинтаза). Активирует ключевые ферменты распада глюкозы до пирувата. Активирует пируват ДГкомплекса (ПВДГ) окислительное декарбоксилирование пирувата до ацетилкофермента А. Активирует пентозофосфатный путь распада глюкозы до пентоз и НАДФН2. Тормозит глюконеогенез.

Глюкагон повышает содержание сахара в крови

-влияние на углеводный обмен – активирует фосфорелизу, гликоген в печени, т.е. распад гликогена.

– тормозит гликогенсинтазу, т.е. синтез гликогена.

– Стимулирует глюконеогенез из аминокислот и глицерина и триглицеридов (жиров).

Глюкокортикоиды: повышают содержание сахара в крови: 1. уменьшает проницаемость мембраны для глюкозы. 2. активируют фермент глюкозо-6-фосфатазу. 3. стимулируют глюконеогенез, в печени и особенно в почках из триглицеридов и аминокислот, стимулируют синтез ключевых ферментов (фосфоенолпируват-карбоксиназы),высвобождение АК-субстратов глюконеогенеза 4)повышают запасы гликогена в печени(активируя гликогенсинтазу 5)тормозят потребление глюкозы во внепеченочных тканях( мышцах и жировой)

Адреналин повышает содержание сахара в крови: активирует фосфорелазу гликогена (распад гликогена), тормозит гликогенситазу (синтез гликогена), ингибирует секрецию инсулина,что снижает утилизацию глюкозы жировой тканью и скелетными мышцами,стимулирует глюконеогенез из лактата и лицерола

источник

Нервная регуляция концентрации глюкозы в крови выражается в положительном влиянии n.vagus на секрецию инсулина и тормозящем влиянии на этот процесс симпатической иннервации. Кроме этого, выделение адреналина в кровь подвержено симпатическим влияниям.

Основными факторами гормональной регуляции являются глюкагон, адреналин,

глюкокортикоиды, соматотропный гормон с одной стороны, и инсулин с другой. Инсу-

лин является единственным гормоном организма, действие которого нацелено на снижение уровня глюкозы крови. При его влиянии глюкозу поглощают мышцы и жировая ткань. Все остальные гормоны увеличивают гликемию, влияя на печень.

Повышение ГлюТ 4-зависимого транспорта

Активация гликогенолиза в печени

Усиление синтеза гликогена

Активация гликогенолиза в печени

Активация гликолиза и ЦТК

Уменьшение проницаемости мембран для

Снижение концентрации глюкозы крови инсулином достигается следующими путями:

переход глюкозы в клетки – активация белков-транспортеров ГлюТ 4 на цитоплаз-

вовлечение глюкозы в гликолиз – повышение синтеза глюкокиназы – фермента,

получившего название «ловушка для глюкозы», стимуляция синтеза других ключевых

ферментов гликолиза – фосфофруктокиназы, пируваткиназы,

o увеличение синтеза гликогена – активация гликогенсинтазы и стимуляция ее синтеза, что облегчает превращение излишков глюкозы в гликоген,

o активация пентозофосфатного пути – индукция синтеза глюкозо-6-фосфат-

дегидрогеназы и 6-фосфоглюконатдегидрогеназы,

o усиление липогенеза – вовлечение глюкозы в синтез триацилглицеролов (см «Липиды», «Синтез триацилглицеролов»).

Многие ткани совершенно нечувствительны к действию инсулина, их называют инсулиннезависимыми . К ним относятся нервная ткань, стекловидное тело, хрусталик, сетчатка, клубочковые клетки почек, эндотелиоциты, семенники и эритроциты.

Глюкагон повышает содержание глюкозы крови:

o увеличивая мобилизацию гликогена через активацию гликогенфосфорилазы,

o стимулируя глюконеогенез – повышение работы ферментов пируваткарбоксилазы, фосфоенолпируват-карбоксикиназы, фруктозо-1,6-дифосфатазы.

Адреналин вызывает гипергликемию:

o активируя мобилизацию гликогена – стимуляция гликогенфосфорилазы,

Глюкокортикоиды повышают глюкозу крови o за счет подавления перехода глюкозы в клетку,

o стимулируя глюконеогенез – увеличивают синтез ферментов пируваткарбоксилазы, фосфоенолпируват-карбоксикиназы, фруктозо-1,6-дифосфатазы.

источник

Поддержание уровня глюкозы в крови и других тканях осуществляется нейрогуморальной системой.

1. Ауторегуляция на клеточном уровне осуществляется путём либо аллостерических механизмов изменения активности ферментов, либо путём фосфорилирования — дефосфорилирования. Например, АТФ и АДФ являются аллостерическими регуляторами ферментов гликолиза и глюконеогенеза: высокая концентрация АТФ активирует ферменты глюконеогенеза, а высокая концентрация АДФ активируют ключевые ферменты гликолиза. Высокая концентрация сукцинил -КоА является аллостерическим активатором фермента пируваткарбоксилазы (много янтарной кислоты, активен ЦТК, поэтому активируется глюконеогенез, требующий затрат АТФ из ЦТК).

2. Гормональный механизмрегуляции углеводного обмена заключается в изменении активности ферментов аллостерическим путем, либо путем фосфорилирования –дефосфорилирования ферментов. Свой эффект гормоны реализуют с участием посредников, например, ц-АМФ.

Адреналин – гормон мозгового слоя надпочечников. Рецепторы к адреналину содержатся в печени, жировой ткани,мышцах. Он обладает гипергликемическим действием путем активации распада гликогена.

Глюкагон– гормон поджелудочной железы с гипергликемическим действием. Глюкагон усиливает распад гликогена путем активации фосфоролиза в печени.

Гормоны адреналин и глюкагоносуществляют свое действие по следующей схеме:

Увеличение содержания ц-АМФ увеличение активности

Протеинкиназы увеличение активности фосфорилазы

Увеличение скорости распада гликогена с образованием глюкозы.

Инсулин –гормон белковой природы, вырабатывается поджелудочной железой. Обладает гипогликемическим действием (снижение уровня глюкозы в крови). Инсулин активирует синтез активного фермента гексокиназы и увеличивает проницаемость клеток для глюкозы. В клетках глюкоза используется для синтеза гликогена, и тормозится процесс распада гликогена и глюконеогенез.

Кортикотропин, соматотропин –гормоны гпофиза, обладают гипергликемическим действием, т.е. повышают уровень глюкозы в крови.

Кортизон, кортизол (глюкокортикоиды) — гормоны коркового слоя надпочечников. Органами – мишенями являются мышечная, соединительная ткани, печень. Обладают гипергликемическим действием за счет активации процесса глюконеогенеза.

Тироксин, трийодтиронин – гормоны щитовидной железы. Оказывают гипергликемическое действие за счет активации глюконеогенеза.

Патологии углеводного обмена

Увеличение содержания глюкозы в крови — гипергликемия может происходить вследствие чрезмерно интенсивного глюконеогенеза либо в результате понижения способности утилизации глюкозы тканями, например при нарушении процессов ее транспорта через клеточные мембраны.

Понижение содержания глюкозы в крови — гипогликемия — может являться симптомом различных болезней и патологических состояний, причем особенно уязвимым в этом отношении является мозг: следствием гипогликемии могут быть необратимые нарушения его функций.

Генетически обусловленные дефекты ферментов У. о. являются причиной многих наследственных болезней. Примером генетически обусловленного наследственного нарушения обмена моносахаридов может служить галактоземия, развивающаяся в результате дефекта синтеза фермента галактозо-1-фосфатуридилтрансферазы. Признаки галактоземии отмечают также при генетическом дефекте УДФ-глюкоза-4-эпимеразы. Характерными признаками галактоземии являются гипогликемия, галактозурия, появление и накопление в крови наряду с галактозой галактозо-1-фосфата, а также снижение массы тела, жировая дистрофия и цирроз печени, желтуха, катаракта, развивающаяся в раннем возрасте, задержка психомоторного развития. При тяжелой форме галактоземии дети часто погибают ни первом году жизни вследствие нарушений функций печени или пониженной сопротивляемости инфекциям.

Примером наследственной непереносимости моносахаридов является непереносимость фруктозы, которая вызывается генетическим дефектом фруктозофосфатальдолазы и в ряде случаев — снижением активности фруктоза-1,6-дифосфат-альдолазы. Болезнь характеризуется поражениями печени и почек. Для клинической картины характерны судороги, частая рвота, иногда коматозное состояние. Симптомы заболевания появляются в первые месяцы жизни при переводе детей на смешанное или искусственное питание. Нагрузка фруктозой вызывает резкую гипогликемию.

Заболевания, вызванные дефектами ферментов, участвующих в обмене олигосахаридов, в основном заключаются в нарушении расщепления и всасывания углеводов пищи, что происходит главным образом в тонкой кишке.

Мальтоза и низкомолекулярные декстрины, образовавшиеся из крахмала и гликогена пищи под действием a-амилазы слюны и сока поджелудочной железы, лактоза молока и сахароза расщепляются дисахаридазами (мальтазой, лактазой и сахаразой) до соответствующих моносахаридов в основном в микроворсинках слизистой оболочки тонкой кишки, а затем, если процесс транспорта моносахаридов не нарушен, происходит их всасывание. Отсутствие или снижение активности дисахаридаз к слизистой оболочке тонкой кишки служит главной причиной непереносимости соответствующих дисахаридов, что часто приводит к поражению печени и почек, является причиной диареи, метеоризма (см. Мальабсорбциисиндром). Особенно тяжелыми симптомами характеризуется наследственная непереносимость лактозы, обнаруживающаяся обычно с самого рождения ребенка.

Для диагностики непереносимости сахаров применяют обычно нагрузочные пробы с введением натощак углевода, непереносимость которого подозревают. Более точный диагноз может быть поставлен путем биопсии слизистой оболочки кишечника и определения в полученном материале активности дисахаридаз. Лечение состоит в исключении из пищи продуктов, содержащих соответствующий дисахарид. Больший эффект наблюдают, однако, при назначении ферментных препаратов, что позволяет таким больным употреблять обычную пищу. Например, в случае недостаточности лактазы, содержащий ее ферментный препарат, желательно добавлять в молоко перед употреблением его в пищу. Правильный диагноз заболеваний, вызванных недостаточностью дисахаридаз, крайне важен. Наиболее частой диагностической ошибкой в этих случаях являются установление ложного диагноза дизентерии, других кишечных инфекций, и лечение антибиотиками, приводящее к быстрому ухудшению состояния больных детей и тяжелым последствиям.

Читайте также:  Роль поджелудочной железы в регуляции содержания глюкозы в крови

Заболевания, вызванные нарушением обмена гликогена, составляют группу наследственных энзимопатий, объединенных под названиемгликогенозов. Гликогенозыхарактеризуются избыточным накоплением гликогена в клетках, которое может также сопровождаться изменением структуры молекул этого полисахарида. Гликогенозы относят к так называемым болезням накопления. Гликогенозы (гликогенная болезнь) наследуются по аутосомно-рецессивному или сцепленному с полом типу. Почти полное отсутствие в клетках гликогена отмечают при агликогенозе, причиной которого является полное отсутствие или сниженная активность гликогенсинтетазы печени. Заболевания, вызванные нарушением обмена различных гликоконъюгатов, в большинстве случаев являются следствием врожденных нарушений распада гликолипидов, гликопротеинов или гликозаминогликанов (мукополисахаридов) в различных органах. Они также являются болезнями накопления. В зависимости от того, какое соединение аномально накапливается в организме, различают гликолипидозы, гликопротеиноды, мукополисахаридозы. Многие лизосомные гликозидазы, дефект которых лежит в основе наследственных нарушений углеводного обмена, существуют в виде различных форм, так называемых множественных форм, или изоферментов. Заболевание может быть вызвано дефектом какого-либо одного изофермента. Так, например. болезнь Тея — Сакса — следствие дефекта формы AN-ацетилгексозаминидазы (гексозаминидазы А), в то время как дефект форм А и В этого фермента приводит к болезни Сандхоффа. Большинство болезней накопления протекает крайне тяжело, многие из них пока неизлечимы. Клиническая картина при различных болезнях накопления может быть сходной, и, напротив, одно и то же заболевание может проявляться по-разному у разных больных. Поэтому необходимо в каждом случае устанавливать ферментный дефект, выявляемый большей частью в лейкоцитах и фибробластах кожи больных. В качестве субстратов применяют гликоконьюгаты или различные синтетические гликозиды. При различных мукополисахаридозах, а также при некоторых других болезнях накопления (например, при маннозидозе) выводятся с мочой в значительных количествах различающиеся по структуре олигосахариды. Выделение этих соединений из мочи и их идентификацию проводят с целью диагностики болезней накопления.

При некоторых заболеваниях серьезные нарушения У. о. возникают вторично. Примером такого заболевания является диабет сахарный, обусловленный либо поражением b-клеток островков поджелудочной железы, либо дефектами в структуре самого инсулина или его рецепторов на мембранах клеток инсулинчувствительных тканей. Алиментарные гипергликемия и гиперинсулинемия ведут к развитию ожирения, что увеличивает липолиз и использование неэтерифицированных жирных кислот (НЭЖК) в качестве энергетического субстрата. Это ухудшает утилизацию глюкозы в мышечной ткани и стимулирует глюконеогенез. В свою очередь, избыток в крови НЭЖК и инсулина ведет к увеличению синтеза в печени триглицеридов (см. Жиры) и холестерины и, соответственно, к увеличению концентрации в крови липопротеиновочень низкой и низкой плотности. Одной из причин, способствующих развитию таких тяжелых осложнений при диабете, как катаракта, нефропатия, англопатия и гипоксия тканей, является неферментативное гликозилирование белков.

Мукополисахаридозы— наследственные тяжёлые заболевания, проявляющиеся значительными нарушениями в умственном развитии детей, поражениями сосудов, помутнением роговицы, деформациями скелета, уменьшением продолжительности жизни. В основе мукополисахаридозов лежат наследственные дефекты каких-либо гидролаз, участвующих в катаболизме гликозаминогликанов. Эти заболевания характеризуются избыточным накоплением гликозаминогликанов в тканях, приводящим к деформации скелета и увеличению органов, содержащих большие количества внеклеточного матрикса. Обычно поражаются ткани, в которых в норме синтезируются наибольшие количества гликозаминогликанов. В лизосомах при этом накапливаются не полностью разрушенные гликозаминогликаны, а с мочой выделяются их олигосахаридные фрагменты. Известно несколько типов мукополисахаридозов, вызванных дефектами разных ферментов гидролиза гликозаминогликанов. Основные типы мукополисахаридозов приведены в таблице.

Для постановки диагноза конкретного заболевания обычно определяют активность лизосомальных гидролаз. Так как эти болезни в настоящее время не поддаются лечению, необходимо проводить пренатальную диагностику при подозрении на носительство дефектных генов.

Типы мукополисахаридозов

Название болезни Продукты накопления Дефектный фермент Симптомы болезни
Болезнь Гурлера Дерматансульфат Гепарансульфат α-L-идуронидаза наблюдается утолщение костей черепа и уменьшение массы головного мозга; нервные клетки изменены ,нарушен рост костей; обнаруживается фиброз миокарда, стенок сосудов оболочек мозга.
Болезнь Гюнтера Дерматансульфат Идуронатсульфатаза Вследствие мутации происходит усиленный синтез пигмента – предшественника порфирина, что приводит к его повышенному содержанию в эритроцитах (до 25 раз). Хроническая фоточувствительность. Вследствие выделения избытка пигмента, моча приобретает кроваво-красный цвет, повышенное оволосение.
Болезнь Санфилиппо Гепарансульфат Гепарансульфатаза, М-ацетил-α-В-глюкозаминидаза или ацетилтрансфераза Отставание в росте, легкие скелетные изменения, иногда небольшое увеличение печени и селезенки, развивается судорожный синдром. Заболевание характеризуется грубыми нарушениями психики, умственной отсталостью (деменцией), ригидностью суставов.
Болезнь Моркио Кератансульфат Хондроитин-6-сульфат Хондроитинсульфат – N-ацетилгалактоз-амин -6 сульфатсульфатаза Характеризуется карликовостью (рост взрослого больного около 100 см), непропорциональным телосложением (относительно короткое туловище, микроцефалия, короткая шея), грубыми чертами лица и значительными деформациями скелета, особенно грудной клетки (куриная, бочкообразная, килеобразная), кифозом или сколиозом грудного и поясничного отделов позвоночника. Тугоподвижность в суставах.
Болезнь Слая Хондроитинсульфаты β-глюкуронидаза Паховые и пупочные грыжи, низкий рост, килевидная грудная клетка, тораколюмбальный кифоз, косолапость, повторные легочные инфекции. Типичны грубые черты лица с запавшей переносицей, вывернутыми вперед ноздрями. Возможно развитие кардиомиопаии, артериальной гипертензии.
Болезнь Марото-Лами Дерматансульфат Хондроитинсульфат — N-ацетилгалактозамин-4-сульфатсульфатаза Характерно отставание в росте, грубые черты лица, малые размеры верхней челюсти, короткая шея, бочкообразная грудная клетка, укороченные ключицы. Отмечаются сгибательные контрактуры суставов верхних конечностей (больные не могут поднять руки вверх); с возрастом появляются контрактуры в суставах нижних конечностей, нарушается походка. Часто присоединяются острые респираторные вирусные инфекции.

Мальабсорбция– группа заболеваний, связанная с нарушением:

1. переваривания углеводов в ЖКТ (дефект ферментов);

2. нарушение всасывания продуктов распада моносахаридов.

Примером первой группы заболеваний является лактазная недостаточность (дисахаридазная).

У детей различают 2 формы:

— транзиторная (до года жизни), связанная с незрелостью фермента лактазы;

— генетическая – мутация гена, ответственного за синтез фермента лактазы.

— дефект лактазы вследствие экспрессии гена лактазы

возрастного характера, при этом непереносимость молока чаще наблюдается у лиц африканского и азиатского происхождения. Средняя частота данной формы заболевания в странах Европы – 7-12%, в Китае 80%, в отдельных районах Африки – 97% (исторически сложившийся рацион питания);

— приобретенного характера — при кишечных заболеваниях (гастриты, колиты, энтериты). Как известно, активность лактазы ниже, чем других дисахаридаз, поэтому понижение её активности становится более заметным.

Во всех случаях наблюдается осмотическая диарея, которую вызывают нерасщепленные дисахариды и невсосавшиеся моносахариды, поступающие в дистальные отделы кишечника. Они изменяют осмотическое давление, частично подвергаются ферментативному расщеплению микроорганизмами с образованием кислот, газов, усиливается приток воды в кишечник, увеличивается объем кишечного содержимого, увеличивается перистальтика, появляются метеоризм и боли.

Эталоны решения задач

1. Дайте название приведенному моносахариду:

Этот моносахарид содержит в цепи шесть атомов углерода, из которых три являются хиральными, и одну оксо-группу. Особенности расположения гидроксильных групп при углеродных атомах С-3, С-4 и С-5 указывают на то, что данный моносахарид является
D-фруктозой.

2. Для моносахарида, представленного в форме:

1) укажите возможные формы, в которых он может существовать в растворе;

2) обсудите возможность образования циклических форм с участием гидроксильных групп при С-2 и С-3;

3) определите, какая форма представлена данной формулой;

4) приведите открытую форму этого моносахарида и назовите ее.

1) В водных и спиртовых растворах этот моносахарид существует одновременно в открытой форме (оксоформе) и циклических формах — фуранозной (α- и β-) и пиранозной (α- и β-), которые образуются за счет взаимодействия соответствующих гидроксильных групп и альдегидной группы моносахарида;

2) циклические формы с участием гидроксильных групп при С-2 и С-3 не образуются, так как возникающие при этом трех- и четырехчленные циклы неустойчивы;

3) данная формула отвечает α-D-пиранозной форме;

4) приведенной циклической форме соответствует следующая открытая форма:

Особенности расположения гидроксильных групп при углеродных атомах С-2, С-3, С-4 и С-5 указывают на то, что данный моносахарид является D-глюкозой.

3. Приведите все формы, в которых существует глюкоза в водном растворе и назовите их.

1) К какому типу относится реакция образования циклической формы?

2) Какая форма образуется преимущественно?

3) Как называется особенность моносахаридов образовывать в растворе различные формы?

4) От чего зависит соотношение аномеров в растворе?

В водном растворе D-глюкоза существует в следующих формах:

Названия образующихся соединений: α-D-глюкопираноза (I), β-D-глюкопираноза (II), β-D-глюкофураноза (III), α-D-глюкофураноза (IV).

1) Реакция образования циклической формы является внутримолекулярной реакцией циклизации.

2) В растворе моносахарида преимущественно образуются пиранозные формы как термодинамически более устойчивые.

3) Особенность моносахаридов образовывать в растворе различные формы называется мутаротацией.

4) Соотношение α- и β-аномеров зависит главным образом от природы растворителя.

4. Изобразите схему реакции взаимодействия галактозы с метиловым спиртом в присутствии сухого HCl. Назовите продукт реакции. Почему реакция протекает только с участием определенной гидроксильной группы моносахарида?

Название продуктов реакции: метил-α-D-галактопиранозид (I); метил-β-D-галактопиранозид (II).

Взаимодействие реагента только с гликозидной гидроксильной группой обусловлено повышенной реакционной способностью полуацетального углеродного атома С-1.

5. Изобразите схему реакции алкилгалогенида с моносахаридом:

Назовите продукты реакции.

Особенности расположения гидроксильных групп при углерод-ных атомах С-2, С-3, и С-4 указывают на то, что данная циклическая форма соответствует D-глюкозе, поэтому основные продукты реакции называются: метил-2,3,4,6-тетра-O-метил-α-D-глюкопиранозид (I) и метил-2,3,4,6-тетра-O-метил-β-D-глюкопиранозид (II).

Участие в реакции всех гидроксильных групп моносахарида объясняется условиями ее протекания (щелочная среда) и активностью карбокатиона CH3 + как электрофила.

6. Изобразите схему реакции гидролиза приведенного моно-сахарида и назовите продукты реакции:

Какая группа подвергается гидролизу и почему?

Так как в качестве субстрата в реакции участвует фуранозная форма оксометилпроизводного D-рибозы, то продукты реакции имеют следующие названия: 2,3,5-три-O-метил-α-D-рибофураноза (I) и 2,3,5-три-O-метил-β-D-рибофураноза (II).

Гидролизу подвергается только метокси-группа при С-1, что объясняется повышенной по сравнению с другими атомами углерода фуранозного цикла электрофильностью атома С-1, вызванной влиянием соседнего атома кислорода, проявляющего свойства акцептора электронов.

7. Изобразите схему реакции уксусного ангидрида с D-глюкопиранозой. Назовите продукт реакции.

Название продуктов реакции: 1,2,3,4,6-пента-O-ацил-α-D-глюко-пираноза (I) и 1,2,3,4,6-пента-O-ацил-β-D-глюкопираноза (II).

Ацилирование всех гидроксильных групп в пиранозном цикле
D-глюкозы вызвано высокой ацилирующей способностью уксусного ангидрида.

8. Приведите схему реакции восстановления D-ксилозы водородом. Назовите продукт реакции.

Название продукта реакции — ксилит. Восстановлению подвергается в первую очередь альдегидная группа, так как карбо-нильный атом углерода имеет более высокую степень окисления (+2), чем атомы углерода, связанные с гидроксильными группами (+1).

9. Приведите схему изомеризации глюкозы в разбавленном водном щелочном растворе при комнатной температуре. Назовите продукты реакции. В чем заключается роль среды?

В разбавленных растворах щелочей при комнатной температуре происходит изомеризация D-глюкозы, в результате которой образуется равновесная смесь моносахаридов, различающихся конфигурацией атомов С-1 и С-2. Продуктами изомеризации
D-глюкозы являются D-манноза (I) и D-фруктоза (II).

Щелочная среда катализирует превращение D-глюкозы в ендиольную форму из-за повышенной подвижности атома водорода при С-2, вызванной соседством с двумя электроноакцепторными группами — альдегидной и гидроксильной.

10. Чем обусловлено образование циклических форм сахаридов? В чем заключается сущность явления мутаротации сахаридов в растворе? Покажите это на примере мальтозы. Все ли сахариды мутаротируют в растворе?

Образование циклических форм связано со способностью углеводородной цепи сахарида принимать выгодную клешнеобразную пространственную конформацию, вследствие чего альдегидная и гидроксильная группа оказываются сближенными. В результате нуклеофильной атаки гидроксила по карбонильному атому углерода происходить внутримолекулярная циклизация с образованием дополнительного хирального центра на месте атома С-1, ранее входившего в состав карбонильной группы. Этот атом называется аномерным, а два соответствующих стереоизомера — α- и β-аномерами.

Таким образом, сущность явления мутаротации заключается в том, что многие сахариды существуют в растворе одновременно в виде в двух форм — открытой и циклической, что приводит к появлению α- и β-аномеров:

Мутаротации в растворе подвергаются моносахариды, а также некоторые дисахариды, которые имеют в составе гликозидный гидроксил, не участвующий в образовании гликозидной связи. Такие дисахариды называют восстанавливающими (лактоза, мальтоза, целлобиоза и др.).

В невосстанавливающих дисахаридах гликозидная связь образуется за счет гидроксильных групп при аномерных атомах углерода. В них отсутствуют свободные полуацетальные гидроксильные группы, поэтому растворы таких дисахаридов, например сахарозы, не мутаротируют.

Вопросы для самоконтроля

1. Какой сахарид входит в состав большинства полисахаридов?

2. Какие из углеводов не подвергаются гидролизу?

3. В каких формах существуют в растворе моносахариды?

4. Чем вызвано большое число стереомеров в моносахаридах?

5. Почему гликозиды не обладают восстанавливающими свойствами?

6. Почему гликозиды гидролизуются разбавленными водными растворами кислот, но устойчивы к гидролизу в щелочной среде?

7. Чем вызвана повышенная реакционная способность гликозидного гидроксила?

8. Чем вызвано большее содержание в растворе пиранозной формы моносахаридов по сравнению с фуранозной?

9. Приведите примеры восстанавливающих и невосстанавливающих дисахаридов. Чем они отличаются по химическому строению?

10. Какие соединения образуются при гидролизе гликозидов?

11. Как осуществить стереоспецифическое гидролитическое расщепление α- и β-гликозидов?

12. С помощью какого реактива можно доказать восстанавливающие свойства целлобиозы?

13. Какие реактивы используются для обнаружения кетоз?

14. Можно ли обнаружить гликозиды с помощью реактивов Бенедикта и Фелинга?

15. Что образуется в результате мутаротации растворов моносахаридов?

16. Какие моносахариды и где встречаются в свободном виде?

17. Какой дисахарид встречается в молоке и в чем проявляются его полезные свойства для человека в раннем возрасте?

18. Как используется целлюлоза и ее производные?

19. Как используется глюкоза в медицинской практике?

20. В каких растениях содержится значительное количество сахарозы?

21. Какие производные углеводов являются эффективными средствами для лечения заболеваний сердца?

Дата добавления: 2018-02-28 ; просмотров: 420 ; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ

источник