1_Lektsia_Obmen_uglevodov_chast_1

В случае активного транспорта глюкоза и Na+ проходят через мембраны с люминальной стороны, связываясь с разны-ми участками белка-переносчика. При этом поступает в клетку по градиенту концентрации, и одновременно глюкоза транспортируется против градиента концентрации.

Чем больше градиент Na+, тем больше поступление глюкозы в энтероциты. Если концентрация Na+ во внеклеточной жидкости уменьшается, транспорт глюкозы снижается. Градиент концентрации Na+, являющийся движущей силой активного симпорта, создаѐтся работой Na+,K+-АТФ-азы. Перенос в клетки слизистой оболочки кишечника по механизму вторичноактивного транспорта характерен также для галактозы.

ТРАНСПОРТ ГЛЮКОЗЫ ИЗ КРОВИ В КЛЕТКИ

Потребление глюкозы клетками из кровотока происходит также путѐм облегчѐнной диффузии, зависящей только от градиента еѐ концентрации. Исключение составляют клетки мышц и жировой ткани, где облегчѐнная диффузия регулируется инсулином. В отсутствие инсулина плазматическая мембрана этих клеток непроницаема для глюкозы, так как она не содержит белки-переносчики (транспортѐры) глюкозы. Транспортѐры глюкозы называют также рецепторами глюкозы. Транспортѐр глюкозы эритроцитов – трансмембранный белок из 492 аминокислотных остатков и имеющий доменную структуру. Полярные домены белка расположены по разные стороны мембраны, гидрофобные располагаются в мембране, пересекая еѐ несколько раз. Транспортѐр имеет участок связывания глюкозы на внешней стороне мембраны. После присоединения глюкозы конформация белка изменяется, в результате чего глюкоза связывается с белком в участке, обращѐнном внутрь клетки. Затем глюкоза отделяется от транспортѐра, переходя внутрь клетки.

Облегчѐнная диффузия, по сравнению с активным транспортом, предотвращает транспорт ионов вместе с глюкозой, если она транспортируется по градиенту концентрации.

Глюкозные транспортѐры (ГЛЮТ) обнаружены во всех тканях. Существует несколько разновидностей ГЛЮТ (нумерация – в порядке их открытия.

Структура белков семейства ГЛЮТ отличается от белков, транспортирующих глюкозу через мембрану в кишечнике и почках против градиента концентрации.

Описанные 5 типов ГЛЮТ имеют сходные первичную структуру и доменную организацию.

*ГЛЮТ-1 обеспечивает стабильный поток глюкозы в мозг;

*ГЛЮТ-2 обнаружен в клетках органов, выделяющих глюкозу в кровь. Именно при участии ГЛЮТ-2 глюкоза переходит в кровь из энтероцитов и печени. ГЛЮТ-2 участвует в транспорте глюкозы в β-клетки поджелудочной железы;

*ГЛЮТ-3 обладает бóльшим, чем ГЛЮТ-1, сродством к глюкозе. Он также обеспечивает постоянный приток глюкозы к клеткам нервной и других тканей;

*ГЛЮТ-4 – главный переносчик глюкозы в клетки мышц и жировой ткани;

*ГЛЮТ-5 встречается, главным образом, в клетках тонкого кишечника. Его функции известны недостаточно.

Все типы ГЛЮТ могут находиться, как в плазматической мембране, так и в цитозольных везикулах. ГЛЮТ-4 (и в меньшей мере ГЛЮТ-1) почти полностью находятся в цитоплазме клеток.

Влияние инсулина на перемещение транспортѐров глюкозы из цитоплазмы в плазматическую мембрану

1 – связывание инсулина с рецептором; 2 – участок инсулинового

рецептора, обращѐнный внутрь клетки, стимулирует перемещение; транспортѐров глюкозы; 3, 4 - транспортѐры в составе везикул перемещаются к плазматической мембране клетки, включаются в еѐ состав и переносят глюкозу в клетку.

Влияние инсулина на такие клетки приводит к перемещению везикул,

содержащих ГЛЮТ, к плазматической мембране, слиянию с ней и

встраиванию транспортѐров в мембрану. После чего возможен облегчѐнный транспорт глюкозы в эти клетки. После снижения концентрации инсулина в крови транспортѐры глюкозы снова перемещаются в цитоплазму, и поступление глюкозы в клетку прекращается.

Известны различные нарушения в работе транспортѐров глюкозы.

Наследственный дефект этих белков может лежать в основе сахарного диабета 2-го типа. В то же время причиной нарушения работы транспортѐра глюкозы может быть не только дефект самого белка. Нарушения функции ГЛЮТ-4 возможны на следующих этапах:

•передача сигнала инсулина о перемещении этого транспортѐра к

мембране;

•перемещение транспортѐра в цитоплазме;

•включение в состав мембраны;

•отшнуровывание от мембраны и т.д.

МЕТАБОЛИЗМ ГЛЮКОЗЫ В КЛЕТКЕ

После всасывания в кишечнике моносахариды поступают в воротную вену и далее преимущественно в печень. Поскольку в составе основных углеводов пищи преобладает глюкоза, еѐ можно считать основным продуктом переваривания углеводов. Другие моносахариды, поступающие из кишечника в процессе метаболизма, могут превращаться в глюкозу или продукты еѐ метаболизма. Часть глюкозы в печени депонируется в виде гликогена, а другая часть через общий кровоток доставляется и используется разными тканями и органами. При нормальном рационе питания концентрация глюкозы в крови поддерживается на уровне 3,3-5,5 ммоль/л. А в период пищеварения еѐ концентрация может повышаться примерно 8 ммоль/л.

ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ ГЛЮКОЗЫ

В дальнейших превращениях в клетках глюкоза и другие моносахариды участвуют только в метаболически активной форме – в виде фосфорных эфиров. Фосфорилирование во многих тканях катализирует фермент гексокиназа, а в печени и поджелудочной железе – фермент глюкокиназа. Фосфорилирование глюкозы – практически необратимая реакция. Образование глюкозо-6-фосфата в клетке – своеобразная «ловушка» для глюкозы, так как мембрана клетки непроницаема для фосфорилированной глюкозы (нет соответствующих транспортных белков). Кроме того, фосфорилирование уменьшает концентрацию свободной глюкозы в цитоплазме. В результате создаются благоприятные условия для облегчѐнной диффузии глюкозы в клетки из крови.

Фосфорилирование глюкозы в гепатоцитах в период пищеварения обеспечивается

свойствами глюкокиназы, которая имеет высокое значение Кm=10 ммоль/л. В этот

период концентрация глюкозы в воротной вене больше, чем в других отделах кровяного русла и может превышать 10 ммоль/л.

Глюкокиназа, в отличие от гексокиназы, не ингибируется продуктом катализируемой реакции – глюкозо-6-фосфатом. Это обстоятельство обеспечивает повышение

концентрации глюкозы в клетке в фосфорилированной форме, соответственно еѐ

уровню в крови.

ГЛЮТ-2 (независимый от инсулина), так же, как глюкокиназа, имеет высокую Кт, что способствует повышению скорости поступления глюкозы в гепатоциты в период пищеварения, следовательно, ускоряет еѐ фосфорилирование и дальнейшее

использование для депонирования.

Хотя инсулин и не влияет на транспорт глюкозы, он усиливает приток глюкозы в гепатоциты в период пищеварения косвенным путѐм, индуцируя синтез глюкокиназы, и ускоряя тем самым фосфорилирование глюкозы.

Преимущественное потребление глюкозы гепатоцитами, обусловленное свойствами глюкокиназы, предотвращает чрезмерное повышение еѐ концентрации в крови в абсорбтивном периоде. Это, в свою очередь, снижает последствия протекания нежелательных реакций с участием глюкозы, например гликозилирования белков.

Гексокиназа отличается от глюкокиназы высоким сродством к глюкозе (Кm=0,1 ммоль/л). Следовательно, реакция, катализируемая этим ферментом, возможна даже при низкой концентрации глюкозы в крови, что характерно для постабсорбтивного состояния (натощак). Печень в этот период поглощает гораздо меньше глюкозы, так как скорость еѐ внутриклеточного фосфорилирования глюкокиназой резко снижается. Тогда как потребление глюкозы мозгом, эритроцитами и другими тканями обеспечивается активной в этих условиях гексокиназой.

Гексокиназа может катализировать фосфорилирование не только D-глюкозы, но и других гексоз, хотя и с меньшей скоростью. Активность гексокиназы изменяется в зависимости от потребностей клетки в энергии. В качестве регуляторов выступают соотношение АТФ/АДФ и внутриклеточный уровень глюкозо-6-фосфата. При снижении расхода энергии в клетке повышаются отношение АТФ/АДФ и [глюкозо-6-фосфата]. В этом случае активность гексокиназы снижается, и, следовательно, уменьшается скорость поступления глюкозы в клетку.

Следует отметить, что в разных тканях гексокиназа присутствует в различных изоформах, отличающихся Кm. Глюкокиназа печени и почек является изоформой IV (гексокиназа IV). В клетках мышц содержится гексокиназа II, а в клетках опухолевых тканей преобладает гексокиназа III, с более высоким, чем у гексокиназы II, сродством к глюкозе.

МЕТАБОЛИЗМ ГЛЮКОЗО-6-ФОСФАТА

Глюкозо-6-фосфат может использоваться в клетке в различных превращениях, основными из которых являются: синтез гликогена, катаболизм с образованием СО2 и Н2О или лактата, синтез пентоз. Распад глюкозы до конечных продуктов служит источником энергии для организма. Вместе с тем в процессе метаболизма глюкозо- 6-фосфата образуются промежуточные продукты, используемые в дальнейшем для синтеза аминокислот, нуклеотидов, глицерина и жирных кислот. Таким образом, глюкозо-6-фосфат - не только субстрат для окисления, но и строительный материал для синтеза новых соединений

ДЕФОСФОРИЛИРОВАНИЕ ГЛЮКОЗО-6-ФОСФАТА

Превращение глюкозо-6-фосфата в глюкозу возможно в печени, почках и клетках эпителия кишечника. В клетках этих органов имеется фермент глюкозо-6- фосфатаза, катализирующая гидролиз:

Глюкозо-6-фосфат +Н2О → Глюкоза + Н3РО4

Образовавшаяся свободная глюкоза способна диффундировать из этих органов в

кровь. В других органах и тканях глюкозо-6-фосфатазы нет, и поэтому дефосфорилирование глюкозо-6-фосфата невозможно. Пример подобного необратимого проникновения глюкозы в клетку – мышцы, где глюкозо-6-фосфат может использоваться только в метаболизме этой клетки.

СИНТЕЗ ГЛИКОГЕНА (ГЛИКОГЕНОГЕНЕЗ)

Гликоген синтезируется в период пищеварения (через 1-2 ч после приѐма углеводной пищи). Следует отметить, что синтез гликогена из глюкозы, как и любой анаболический процесс, является эндергоническим, т.е. требующим затрат энергии.

Глюкоза, поступающая в клетку, фосфорилируется при участии АТФ (реакция 1). Затем глюкозо-6- фосфат в ходе обратимой реакции превращается в глюкозо-1-фосфат (реакция 2) под действием фермента фосфоглюкомутазы. Глюкозо-1-фосфат по термодинамическому состоянию мог бы служить субстратом для синтеза гликогена. Но в силу обратимости реакции глюкозо-6-фосфат ↔ глюкозо-1- фосфат синтез гликогена из глюкозо-1-фосфата и его распад оказались бы также обратимыми и поэтому неконтролируемыми. Чтобы синтез гликогена был термодинамически необратимым, необходима дополнительная стадия образования уридин-дифосфатглюкозы из УТФ и глюкозо-1-фосфата (реакция 3). Фермент, катализирующий эту реакцию, назван по обратной реакции: УДФ-глюкопирофосфорилаза. Однако в клетке обратная реакция не протекает, потому что образовавшийся в ходе прямой реакции пирофосфат очень быстро расщепляется пирофосфатазой на 2 молекулы Н3РО4.

Реакция образования УДФ-глюкозы обусловливает необратимость всей серии реакций, протекающих при синтезе гликогена. Этим же объясняется невозможность протекания распада гликогена путѐм простого обращения процесса его синтеза.

Образованная УДФ-глюкоза далее используется как донор остатка глюкозы при синтезе. Эту реакцию катализирует фермент гликогенсинтаза (глюкозилтрансфераза). Поскольку в данной реакции не используется АТФ, фермент называют синтазой, а не синтетазой. Нуклеотидная часть УДФ-глюкозы играет существенную роль в действии гликоген синтазы, выполняя функцию «рукоятки»,

при помощи которой фермент располагает глюкозу в полисахаридной цепи в нужном положении. Кроме того, нуклеотидная часть УДФ-глюкозы необходима для узнавания субстрата при катализе.

Так как гликоген в клетке никогда не расщепляется полностью, синтез гликогена осуществляется путѐм удлинения уже имеющейся молекулы полисахарида, называемой «затравка», или «праймер». К «затравке» последовательно присоединяются молекулы глюкозы. Строением молекулы «затравки» как бы предопределяется тип связи, который возникает в реакции трансгликозилирования. Таким образом, синтезируется полисахарид, аналогичный по строению с «затравочным». В состав «затравки» может входить белок гликогенин, в котором к ОН-группе одного из тирозиновых остатков присоединена олигосахаридная цепочка (примерно 8 остатков глюкозы). Глюкозные остатки переносятся гликогенсинтазой на нередуцирующий конец олигосахаридной цепочки и связываются α-1,4- гликозидными связями. По окончании синтеза гликоген остаѐтся включѐнным в гранулу.