3.3. Энергетический баланс окисления углеводов

Энергетический баланс аэробного окисления глюкозы

При гликолизе, который протекает в цитозоле образуется 2 АТФ и 2 НАДН₂. При аэробном окислении 1 молекулы глюкозы образуется 2 молекулы ПВК, которые диффундируют в митохондрии и подвергаются окислительному декарбоксилированию с образованием 2 молекул АУК. При этом образуется 2 молекулы НАДН₂, которые окисляются в БО, давая 6 АТФ. 2 АУК окисляются в ЦТК, давая 6 НАДН2, 2ФПН2 и 2АТФ, что в сумме даст 24 АТФ. Т.о., в митохондриях получается 24+6=30АТФ. 30АТФ+2АТФ (полученные в цитозоле при гликолизе)=32АТФ. Еще 4 или 6 АТФ образуется при окислении цитозольных НАДН₂, перенесенных в митохондрии в результате глицерофосфатного (4) или малатного (6) шунтов.

Процесс окисления цитозольных НАДН2 связан с работой челночных механизмов.

Различают глицерофосфатный и малатный челночный механизмы. Чаще наблюдается первый.

При глицерофосфатном челночном механизме цитозольные 2НАДН₂ окисляются ДОАФ, который восстановливается в глицерофосфат, последний способен проходить через мембраны митохондрий. В митохондриях с участием ФП происходит окисление глицерофосфата и образуется вновь ДОАФ, который возвращается в цитоплазму и вновь участвует в окислении цитозольных НАДН₂, а ФПН2 окисляются в цепи БО и дают по 2 АТФ. Т.к., при окислении 1 молекулы глюкозы образуется 2 цитозольных НАДН₂, то при данном челночном механизме образуется 4 АТФ.

При малатном челночном механизме цитозольные НАДН₂ окисляются с участием ЩУК, которые восстанавливается в малат (яблочную кислоту)

Малат проходит через митохондриальную мембрану и в митохондриях подвергается окислению под действием МДГ и образуется вновь ЩУК. При этом НАД восстанавливается. В цепи БО и ОФ 1 НАДН2 дает 3 АТФ. Поскольку при окислении 1 молекулы глюкозы образуется 2 цитозольных НАДН2, всего при малатном механизме выделяется 6 АТФ. Т.о, энергетический баланс аэробного окисления 1 молекулы глюкозы составляет 36 АТФ (при использовании глицерофосфатного челночного механизма) или 38 АТФ (при использовании малатного челночного механизма).

Эффект Пастера – это снижение скорости гликолиза в присутствии кислорода, т.е. при наличии кислорода окисление глюкозы происходит аэробно. В результате скорость потребления глюкозы в присутствии кислорода снижается. В основе эффекта лежит уменьшение количества АДФ и неорганического фосфата и увеличение АТФ (т.к. в аэробных условиях усиливается процесс ОФ), что ведет к подавлению гликолиза.

3.4. Регуляция уровня глюкозы в крови. Нормо- гипо- и гипергликемии

Наша кровь является естественным резервуаром глюкозы. Именно из крови получают глюкозу большинство органов и тканей. Особое значение имеет глюкоза крови для ткани мозга, работающих скелетных мышц, эритроцитов. Постоянное использование глюкозы тканями требует ее постоянной концентрации в крови.

Вспомним еще раз, каковы источники глюкозы крови.

1) Углеводы пищи;

2) Глюкоза, образующаяся в результате распада гликогена в печени (глюкоза, образующаяся в результате распада гликогена в мышцах или других тканях, в кровь не поступает, поскольку там нет фермента Г-6-Ф-азы, а используется на месте);

3) Глюкоза, образующаяся в процессе глюконеогенеза.

У человека в период между приемами пищи концентрация глюкозы в крови варьирует от 80 до 100 мг/100 мл или, в современных единицах измерения - от 3,3 до 5,5 ммоль/л крови. После приема пищи, богатой углеводами, концентрация глюкозы в крови быстро увеличивается примерно на 30-50%, т.е. до 120-150 мг/100 мл (или до 6,5-7 ммоль/л). Затем, если все регуляторные механизмы работают нормально, то уровень глюкозы в крови довольно быстро начинает снижаться и к 2 ч по- сле приема пищи возвращается к исходному состоянию.

При длительном голодании, чрезмерной физической нагрузке или каких-либо серьезных нарушениях регуляции углеводного обмена возможны два состояния: гипогликемия или гипергликемия. И то и другое состояние чревато для организма очень серьезными последствиями.

Гипогликемия. Гипогликемией считается состояние, когда концентрация глюкозы в крови падает ниже 3 ммоль/л. В этом случае страдают те ткани, которые используют именно глюкозу в энергетических целях. В первую очередь будет страдать нервная система, поскольку глюкоза - главный источник энергии, который легко проникает через гемато-эн- цефалический барьер со скоростью, достаточной для поддержания норма- льной функции мозга. Если концентрация глюкозы резко падает, то са- мые первые симптомы неблагополучия наблюдаются именно со стороны ЦНС: появляется головокружение, тошнота, бледность кожных покровов, вялость, сонливость, в тяжелых случаях - потеря сознания, судороги и даже смерть. Это состояние называется гипогликемической комой.

Гипергликемия. Гипергликемия, оказывается, также не безразлична для организма. Речь, конечно, идет о более или менее длительной гипергликемии. После приема пищи пищевая или алиментарная гипергликемия бывает и у здоровых людей, но она длится не более 1-1,5 ч. При нарушениях регуляции углеводного обмена у человека может наблюдаться снижение толерантности (устойчивости) к глюкозе. При этом, раз поднявшись после приема пищи, концентрация глюкозы в крови долго не возвращается к норме. У больных же сахарным диабетом уже исходная концентрация глюкозы в крови натощак может быть значительно выше нормы, а после приема пищи увеличивается еще больше и долго не приходит к исходному состоянию. Высокий уровень глюкозы в крови опасен для организма. Избыток глюкозы в кровеносном русле оказывает повреждающее действие на восприимчивые ткани, к которым в первую очередь относятся клетки интимы сосудов, нервные клетки, ткани глаза. Дело в том, что в некоторых клетках избыток глюкозы превращается в сорбит - сложный спиртовый сахар, который потом оседает внутри клеток. Повышенная скорость образования сорбита ведет к нарушению проницаемости сосудистой стенки. В результате повреждения клеток интимы сосудов, они замещаются рубцовой тканью, что ведет к потере эластичности сосудов, нарушению кровоснабжения органов, к так называемым ангиопатиям. Ангиопатии, в зависимости от локализации, ведут к сердечно-сосудистой, почечной патологии, патологии органов зрения, гипертонической болезни и т.д. Т.к. ферменты, превращающие глюкозу в сорбит, присутствуют практически во всех тканях, такие повреждения потенциально могут возникнуть в любом месте.

Второе грозное осложнение гипергликемии связано с неферментативным гликозилированием различных белков, т.е. связыванием глюкозы с белками. Дело в том, что в крови человека глюкоза находится в двух формах: циклической и ациклической. Глюкоза в циклической форме инертна, химически неактивна, вовлекается в химические реакции уже после попадания внутрь клеток. Глюкоза в ациклической форме активна уже в крови. При гипергликемии соотношение между двумя формами сохраняется, но абсолютное количество ациклической формы возрастает. В этой форме глюкоза "навязывает себя" любому белку, с которым она контактирует. Происходит неферментативное связывание глюкозы с NH2- группой белка, образуются так называемые конечные продукты глубокого гликозилирования (КПГГ) или продукты Амадори

Особенно это важно по отношению к гемоглобину. Эритроциты легко поглощают глюкозу из крови. В норме глюкоза используется исключительно для поддержания клеточной структуры и функции. Скорость поглощения глюкозы эритроцитами очень велика, и в них отсутствует какой-либо ферментативный этап, котрый бы эту скорость лимитировал. Эритроциты человека поглощают в 250 раз больше глюкозы, чем могут на деле ее переработать. Поэтому часть глюкозы уходит на гликозили­рование гемоглобина.

В среднем эритроцит живет примерно 120 дней, и чем дольше он циркулирует в крови, тем больше в эритроцитах обнаруживается сахара, связанного с гемоглобином. Этот процесс называется неферментативным гликозилированием, т.к. ферменты в нем не участвуют. У здоровых людей примерно 5% гемоглобина в крови присутствует в гликозилированной форме. При некомпенсированном сахарном диабете доля такого гемоглобина может возрастать до 20%. Гликозилированный ге­моглобин совершенно неактивен, он не может выполнять свою главную функцию - переносить кислород. При этом больше всего страдают такие органы, которым необходимо очень много кислорода, например, глаза, наиболее часто подвергающиеся повреждению при диабете.

Неферментативному гликозилированию могут подвергаться и другие белки, например белки базальных мембран. В хрусталике глаза образуется гликозилированный белок - кристаллин, что ведет к возникновению катаракты. В результате глубокого гликозилирования коллагена ухудшается фильтрующая способность почек и повышается проницаемость всех сосудов организма, развивается обширный прогрессирующий атеросклероз.

Таким образом, мы видим, что сохранение постоянной концентрации глюкозы в крови имеет чрезвычайно важное значение для организма. Это один из универсальных гомеостатических механизмов. В сохранении постоянства концентрации сахара крови участвуют многие регуляторные системы. Для того, чтобы понять, как происходит регуляция уровня сахара крови, необходимо рассмотреть вопрос, от каких факторов зависит концентрация глюкозы.

Таких факторов несколько.

1) Количество поступившей с пищей глюкозы, скорость и регулярность поступления глюкозы.

2) Скорость поступления глюкозы в клетки, скорость транспорта.

3) Наконец, третий фактор, от которого зависит сохранение постоянной концентрации глюкозы в крови - это скорость и направление внутриклеточных превращений глюкозы, т.е.: а) взаимоотношения процессов отложения глюкозы в депонированную форму - гликоген и распада гликогена - гликогенолиза; б) интесивность гликолиза и глюконеогенеза.

Каждая из регуляторных систем, участвующих в контроле уровня сахара крови, действует на какой-либо из этих факторов или на каждый из них.