Тема 8. Обмін вуглеводів в організмі
План
Перетравлювання вуглеводів.
Синтез глікогену.
Регуляція концентрації глюкози у крові.
Перетворення вуглеводів у тканинах.
Енергетичний ефект окислення вуглеводів у клітині.
Перетравлювання вуглеводів
Основним джерелом вуглеводів для людини є харчові продукти рослинного походження (крохмаль, клітковина, сахарида, глюкоза). З продуктами тваринного походження надходять глікоген, лактоза.
Вуглеводи, які потрапляють в організм людини у вигляді полі- і дисахаридів (крохмаль, глікоген, сахароза, лактоза, мальтоза), не можуть використовуватися безпосередньо. Засвоєння цих речовин організмом стає можливим лише після їх розщеплення до моносахаридів. Цей процес розпочинається у порожнині рота під впливом ферменту амілази слини, яка належить до класу гідролаз.
Амілаза слини складається в основному з а-амілази, яка містить у своїх активних центрах іони кальцію, що забезпечують її каталітичну дію. Вона каталізує гідролітичне розщеплення внутрішніх 1, 4-зв'язків у молекулах крохмалю. За цих умов утворюються відносно великі уламки молекул полісахаридів (декстрини), олігосахариди, а також частково мальтоза. Крім а-амілази у слині міститься також фермент мальтаза, яка розщеплює мальтозу на дві молекули глюкози. Тому при тривалому перебуванні крохмалю у порожнині рота відчувається солодкий смак.
З порожнини рота їжа потрапляє у шлунок, де дія амілази слини може тривати лише 20-30 хвилин, поки харчова маса не набуде кислого характеру. Зміна рН середовища до 2,5-2 повністю інактивує фермент, оптимальна каталітична дія якого при рН=6,8...7,2.
Основні процеси перетравлювання вуглеводів відбуваються в тонкій кишці, де для цього є оптимальні умови - слабколужне середовище і велика кількість ферментів, що виділяються з панкреотичним і кишковим соком. Це такі ферменти як α-амілаза, декстриназа та деякі інші. Фермент декстриназа розщеплює 1,6-зв'язки у молекулах крохмалю і глікогену.
У тонкій кишці за участю ферментів α-амілази і декстринази полі- і олігосахариди розщеплюються до мальтоз, а остання під дією мальтози перетворюється на глюкозу. Лактаза діє на лактозу і розщеплює її на глюкозу та галактозу. Сахараза → на сахарозу → глюкозу і фруктозу. Процес перетравлювання вуглеводів здійснюється не лише в полості тонкої кишки, а й на мембранах епітеліальних клітин слизової оболонки мікроворсинок, де локалізовані відповідні ферменти. Цей вид травлення отримав назву пристінного або контактного.
На відміну від інших вуглеводів, перетравлювання клітковини має свої особливості. У травному каналі організму людини відсутній фермент (β-амілаза, який здійснює гідролітичне розщеплення клітковини. Цей фермент продукується в основному мікроорганізмами. Тому основним місцем перетравлювання клітковини є нижні відділи тонкої і особливо товста кишка, де під впливом ферментів мікрофлори проходить її ферментативний гідроліз. Клітковина розщеплюється на дисахариди (целобіоза), яка під дією фермента целобіази розкладається на глюкозу. Частина глюкози, що утворилась, потрапляє у кров і доставляється до різних органів і тканин організму. Решта глюкози використовується для забезпечення життєдіяльності мікрофлори кишок. В результаті різноманітних реакцій глюкоза розкладається з утворенням карбонових кислот (масляної, оцтової, пропіонової), які всмоктуються в кров, а також газоподібних продуктів (метану, водню і оксиду вуглецю), які видаляються з організму. Частина клітковини використовується мікрофлорою кишок для синтезу вітамінів В12, К, фолієвої кислоти та деяких інших.
В організмі людини значна частина клітковини не розще-плюється, а виводиться з організму. Однак клітковина повинна бути обов'язковим компонентом харчового раціону, оскільки вона є важливим стимулятором секреторної і моторної функцій кишок і необхідна для формування калу. При тривалій відсутності в харчовому раціоні клітковини в організмі людини розвивається атонія кишок.
Крім клітковини, в овочах і фруктах, які споживає людина, міститься певна кількість пектинових речовин, що позитивно впливають на процеси травлення, пригнічують процеси гниття в кишках, поліпшують умови життєдіяльності корисної мікрофлори. Пектинові речовини проявляють також адсорбуючі та антитоксичні властивості і здатні знешкоджувати деякі отруйні речовини та виводити їх з організму (радіонукліди, солі важких металів).
Вважають, що проникнення моносахаридів через напівпроникну стінку кишок є не простим процесом, а складним фізіологічним актом, в якому поєднані активна робота ворсинок епітеліальних клітин, процеси осмосу, дифузії і фільтрації.
Важливу роль відіграють також процеси трансмембраного транспорту моносахаридів за участю спеціальних переносників білкової природи. На зовнішній мембрані епітеліальних клітин утворюється комплекс моносахарид-переносник, який доставляється через мембрану в середину клітини. Тут комплекс розщеплюється і переносник транспортується в зворотному напрямку, а моносахарид попадає в кров'яне русло.
Транспорт моносахаридів через мембрани епітеліальних клітин кишок здійсняються проти градієнта концентрації і є енергозалежним. У цьому процесі важливу роль відіграють іони натрію, що активують розкладання АТФ з виділенням енергії, яка необхідна для всмоктування моносахаридів.
Моносахариди, в основному глюкоза, всмоктуються із тонкої кишки в кров. Далі з кров'ю через системи судин ворітної вени потрапляють в печінку та інші органи і тканини організму.
Певна кількість вуглеводів (4,5-6,6 ммоль/л) постійно циркулює в крові та інших рідинах організму (лімфі, спинномозковій рідині) і є досить важливим і необхідним компонентом внутрішнього середовища. У венозній крові вміст цукру на 0,5 ммоль/л нижчий, ніж в артеріальній, оскільки більшість тканин організму має здатність поглинати глюкозу. При підвищеному фізичному та розумовому навантаженні поглинання глюкози тканинами значно збільшується, внаслідок чого різниця зростає.
Існує два основні шляхи поповнення вмісту глюкози у крові: всмоктування простих цукрів (глюкози) у тонкій кишці та розкладання глікогену в печінці.
Синтез глікогену
Печінка виділяє у кров у середньому 3,5 мг глюкози на 1 кг маси тіла за 1 хвилину. Виділення глюкози печінкою залежить від вмісту цукру, що потрапляє в печінку з кров'ю. При низькому вмісті цукру у крові печінка виділяє глюкозу у кров, а при високому - захоплює її і використовує для синтезу глікогену. Отже, однією з найважливіших функцій печінки є підтримування сталого рівня глюкози у крові - глюкостатична або гомеостатична функція, в основі якої лежить здатність ферментативних систем клітин печінки змінювати свою активність залежно від концентрації цукру в крові.
На вміст цукру в крові може впливати м'язова тканина, яка в період інтенсивної роботи поглинає значну кількість глюкози з крові і використовує її для синтезу глікогену. Розкладання глікогену синтезованого у м'язах, є важливим джерелом енергії, необхідної для забезпечення їх здатності до скорочення.
Оскільки при фізичній роботі обмін вуглеводів у м'язах проходить в анаеробних умовах, то глюкозо-6-фосфат, який утворюється під час розкладання глікогену, перетворюється в молочну кислоту. В період відпочинку організму частина молочної кислоти використовується для синтезу глікогену в м'язах, а інша частина може надходити у кров, звідки захоплюється печінкою і використовується для синтезу глікогену.
Отже, між глікогеном, синтезованим у м'язах і печінці існує динамічний взаємозв'язок і глікоген печінки постачає кров глюкозою, яка використовується для синтезу глікогену у м'язах; глікоген, синтезований у м'язах, розкладається на молочну кислоту, з якої синтезується глікоген у печінці. Це цикл Корі:
Значна кількість глюкози, що виділяється печінкою (50-70%), потрапляє в клітини головного мозку, де окислюється до кінцевих продуктів. Всі енергетичні затрати ЦНС (центральної нервової системи), на відміну від інших органів, компенсуються тільки за рахунок вуглеводів.
Тому зниження вмісту цукру в крові негативно впливає, насамперед, на функції головного мозку Інші органи і тканини організму також здатні поглинати глюкозу і здійснювати метаболічні перетворення її, однак провідна роль у цих процесах належить печінці.
Біосинтез глікогену - інтенсивно проходить у печінці і має важливе значення в утворенні рухомого резерву полісахаридів в організмі. Вихідними сполуками для синтезу глікогену може бути глюкоза, яка всмоктується з кишок у кров, а також глюкоза і глюкозо-6-фосфат, що утворюється в процесі глюконеогенезу.
Процес синтезу глікогену розпочинається з фосфорилювання глюкози за участю ферменту гексокінази з утворенням глюкозо-6-фосфату: цукру в крові за участю ендокринних залоз полягає в підтримуванні рівноваги між інсулином - гормоном β-клітин підшлункової залози та контрінсулярними гормонами: глюкогоном - гормоном α-клітин підшлункової залози; адреналіном - гормоном мозкового слою надниркових залоз; глюкокортикоїдами та АКТГ - адринокортикотропним гормоном. Кожен із зазначених гормонів має певний, характерний лише для нього механізм впливу на вміст цукру в крові.
В організмі людини інсулін відіграє надзвичайно важливу роль. При недостатній секреції інсуліну виникає порушення багатьох ланок метаболічних процесів, які супроводжуються в першу чергу гіперглікемією (наявністю глюкози у сечі). Вони виникають внаслідок порушення транспорту глюкози в клітині і використання її тканинами організму. Вважають, що інсулін, після фіксації його на поверхні клітин, змінює їх таким чином, що сприяє проникненню глюкози в клітини, де і проходить її використання. Це так званий первинний ефект інсуліну. Вторинними ефектами інсуліну, які є наслідками первинного, є зниження вмісту цукру в крові, підвищення запасів глікогену в м'язах, посилення синтезу жирів та пептидів та інше.
Стимулюючи проникнення глюкози в клітини, інсулін тим самим зумовлює зниження вмісту її в крові і сприяє здійсненню процесів фосфорилювання глюкози під впливом глюкокінази і наступному активному її перетворенню в клітинах.
При порушенні внутришньосекреторної функції підшлункової залози ( її гіперфункція) виникає захворювання - діабет, основними ознаками якого є гіперглікемія ( підвищення цукру в крові від 70-120 до 200-300 млг %). глюкозурія ( виділення цукру з сечею), спрага, підвищення апетиту. Втрата значної кількості цукру з сечею приводить до виснаження організму, слабкості, зниження працездатності і порушення зору.
Діабет супроводжується порушенням функцій внутрішніх органів (печінки, нирок, серцево-судинної і нервової системи).
Інколи діабет виникає після психічних травм, інфекційних захворювань, при надмірному харчуванні, пухлинах і запальних процесах в підшлунковій залозі, але більш як у 40 % випадків значення має спадковість.
Глюкогон також виробляється підшлунковою залозою. Глюкогон зумовлює збільшення вмісту глюкози в крові, стимулюючи процеси розпаду глікогену тільки в печінці.
Адреналін виявляє значний вплив на вуглеводний обмін, сприяє значному підвищенню вмісту цукру в крові за рахунок прискорення ферментативного розпаду глікогену в печінці і м'язах. Він мобілізує внутрішні резерви організму, особливо в екстремальних (стресових) умовах, у зв'язку з чим їх часто називають аварійними гормонами.
Зокрема, адреналін звужує кровоносні судини шкіри і внутрішніх органів, розширює коронарні судини серця, підвищує частоту і силу серцевих скорочень, розслаблює не послуговану м'язову тканину легень і бронхів.
АКТГ - адренокортикотропний гормон - прискорює синтез кортикостероїдів в корі надниркових залоз, які впливають на обмін вуглеводів - сприяють підвищенню рівнів цукру в крові і глюкози в печінці, посиленням глюконеогенезу (синтез глюкози з білків та ліпідів).
4.Перетворення вуглеводів у тканинах.
Вуглеводи органів і тканин організму людини, здебільшого глікоген і глюкоза, постійно зазнають різних перетворень, серед яких особливе місце належить процесам розкладання вуглеводів з вивільненням енергії Цей процес відбувається анаеробно (при наявності кисню).
Анаеробне перетворювання вуглеводів в організмі людини може розпочинатися з глікогену або глюкози У першому випадку його називають глікогенолізом, у другому - гліколізом У скелетних м'язах ці два процеси виражені в однаковій мірі, а в головному мозку і серцевому м'язі переважає гліколіз Обидва процеси розпочинаються з перетворення глюкозо-6-фосфату тільки різними шляхами.
Глікогеноліз:
Аеробна стадія окислення глюкози в клітині
Аеробна стадія окислення глюкози в клітині розпочинається з декарбоксилювання ПВК та утворення за участю відповідних ферментів ацетілкоензім А:
Далі відбувається поступовий процес окислення ацетіл коА до СО2 та Н2О. З виділенням енергії у вигляді АТФ, який здобув назву „цикл трикарбонових кислот Кребса”.
Цикл трикарбонових кислот Кребса
5. Енергетичний ефект окислення глюкози у клітині
Анаеробна стадія
Для переведення молекули глюкози у збуджений стан спочатку затрачується 2 молекули АТФ. Потім, при окисленні фосфогліцеринового альдегіду у макроергічну його форму, утворюється 2 молекули НАД Н2, кожна з котрих дорівнює 3 молекулам АТФ. Потім поступово (двічі) утворюється ще по дві молекули АТФ.
Таким чином, загальний енергетичний ефект анаеробного окислення глюкози дорівнює:
2×3+2×1+2×1-2×1=8 (молекул АТФ)
Якщо кисню в клітині нема, то затрачується ще 6 молекул АТФ (НАД Н2) та утворюється молочна кислота, яка викликає біль у м'язах.
Аеробна стадія
Аеробна стадія окислення глюкози розпочинається з декарбоксилювання ПВК в ацетил коА з виділенням НАД Н2.
Потім, під час окислення аацетіл коА в циклі трикарбонових кислот Кребса утворюються 3 молекули НАД Н2, молекула ФАД Н2 (дорівнює 2 молекулам АТФ), та ще одна молекула АТФ.
Таким чином, за один цикл окислення ще утворюється:
3×3+2×1+1×1=12 (молекул АТФ)
Ще 3 молекули АТФ утворилось під час декарбоксилювання ПВК. Якщо врахувати, що з однієї молекули глюкози утворюється 2 молекули ПВК, то енергетичний ефект аеробної стадії складає:
(3+12)×2=30 (молекул АТФ)
Загальний ефект окислення глюкози, якщо поступово відбувається анаеробна та аеробна стадії окислення складає:
8+30=38 (молекул АТФ).