Тканевой обмен углеводов .Глюкогенез. Пентофосфатный путь. Регуляция уровня глюкозы в крови

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ  РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования

«ГОМЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

кафедра биологической химии

 

 

 

 

 

 

 

Реферат: Тканевой обмен углеводов .Глюкогенез. Пентофосфатный путь. Регуляция уровня глюкозы в крови.

 

 

 

 

 

                                                                                                 Подготовила:

                                                                                                                   студентка группы Л-239

                                                                                               Комлач К.О

                                                                                              Проверила:

                                                                                                    Мышковец Н.С

 

 

 

 

 

Гомель, 2013

                                      Содержание:

1.Пути обмена  глюкозо-6-Ф в ткани.

2. Биологическое значение и регуляция ПФП.Этапы ПФП.

3.Регуляция уровня  глюкозы в крови.Нормо-,гиппо- и гипергликемия,последствия.

4.Биологическое  значение и гормональная регуляция  ГНГ.

5.Список литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1). Превращение глюкозо-6-фосфата в глюкозу возможно в печени, почках и клетках эпителия кишечника. В клетках этих органов имеется фермент глюкозо-6-фосфатаза, катализирующая отщепление фосфатной группы гидролитическим путём: 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.

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.

 

2). В клетках растений наряду с гликолизом и циклом Кребса, являющимся главным поставщиком свободной энергии в процессах дыхания, существует и другой важнейший способ катаболизма гексоз — пентозофосфатный путь (ПФП), в котором участвуют пятиуглеродные сахара (пентозы). Этот путь дыхания известен также как гексозомонофосфатный цикл, пентозный шунт или апотомическое окисление. Окисление глюкозы (глюкозо-6-фосфата) по этому пути связано с отщеплением первого (альдегидного) атома углерода в виде С02 (отсюда и название — апотомический путь).

В ПФП АТФ используется только для образования исходного  продукта. ПФП, как и цикл Кребса, — циклический процесс, поскольку  окисление глюкозы сопровождается регенерацией исходного субстрата  ПФП — глюкозо-6-фосфата.

Универсальным донором водорода для электронтранспортной цепи дыхания служит НАДH, содержание которого в растительных тканях всегда значительно выше, чем НАДФH. В нормальных условиях НАДФ+ находится в клетках в восстановленной форме НАДФH, тогда как НАД+ — в окисленной. Доказано, что НАДФH окисляется медленнее, чем НАДH. Если при окислении субстрата образуется НАДФH, как, например, при апотомическом окислении глюкозо-6-фосфата, то атомы водорода перед поступлением в электронтранспортную цепь должны быть переданы на. НАД+ (трансгидрогеназцая реакция). Если бы все 12 пар протонов от НАДФH, которые образуются при полном окислении молекулы глюкозо-6-фосфата по ПФП, были бы переданы через ЭТЦ на 02, то получилось бы 3 АТФ х 12 = 36 АТФ, что составляет 41,868 кДж х х 36 = 1507 кДж/моль. Практически это не уступает энергетическому выходу дихотомического пути дыхания (гликолиз и цикл Кребса), в котором образуется 1591 кДж/моль (38 АТФ,)1

Однако основное назначение ПФП состоит в участии не столько  в энергетическом, сколько в пластическом обмене клеток. Это участие в пластическом обмене включает несколько аспектов:

1. НАДФH используется главным образом в различных синтетических реакциях.

2.В ходе пентозофосфатного  цикла синтезируются пентозы,  входящие в состав нуклеиновых  кислот и различных нуклеотидов  (пиридиновых, флавиновых, адениловых и др.). Для животных и других гетеротрофных организмов ПФП — единственный способ образования пентоз (рибоз и дезоксирибоз) в клетке. Рибозы необходимы для синтеза АТФ, GTP, UTP и других нуклеотидов. Коферменты НАД+, НАДФ+, ФАД, коэнзим А — тоже нуклеотиды и в их состав входит рибоза.

Этапы пентозофосфатного  пути окисления глюкозы. В ПФП  можно выделить два этапа: 1) окисление  глюкозы, 2) рекомбинацию Сахаров для  регенерации исходного субстрата.

Первый, окислительный, этап апотомического пути включает последовательные реакции, катализируемые дегидрогеназнодекарбоксилрующей системой, состоящей из трех ферментов. Первая реакция представляет собой Дегидрирование глюкозо- 6-фосфата глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой . Этот фермент в качестве акцептора электронов использует НАДФ+. Он дегидрирует 1-й атом углерода глюкозо-6-фосфата с образованием лактона 6-фосфоглюконовой кислоты. Лактон самопроизвольно или под действием глюконолактоназы гидролизуется, образуя 6-фосфоглюконовую кислоту. В следующей окислительной реакции, катализируемой НАДФ- и Мп2 +-зависимой фосфо- глюконатдегидрогеназой (декарбоксилирующей), 6-фосфоглюконовая кислота дегидрируется и декарбоксилируется. В результате образуются рибулозо-5-фосфат и восстановленный НАДФH. Таким образом, при окислении каждого атома углерода образуются две молекулы НАДФH .

Второй этап связан с регенерацией исходного метаболита — глюкозо-6-фосфата. Из рибулозо-5-фосфата под действием эпимеразы образуется ксилулозо-5-фосфат, а под действием изомеразы — рибозо-5-фосфат. Рекомбинации сахаров с участием транскетолазы  и трансальдолазы приводят к появлению 3-ФГА и седогептулозо-7-фосфата, затем эритрозо-4-фосфата  и фруктозо-6-фосфата; в результате образуются фруктозо-6- фосфаты, которые изомеризуются в глюкозо-6-фосфат .

 

3). Уровень глюкозы в крови варьирует в зависимости от приема пищи. После еды сахар крови всегда немного повышается, а затем нормализуется в течение нескольких часов. Повышение уровня глюкозы в крови после еды дает сигнал к выделению инсулина – гормона поджелудочной железы, способствующему усвоению глюкозы клетками организма и понижению ее концентрации в крови. Инсулин также способствует образованию запасов глюкозы в печени  в виде гликогена. Параллельно с понижением уровня глюкозы в крови выделение инсулина уменьшается.

 Несмотря на хорошую  растворимость в воде, у здоровых  людей глюкоза не выводится  вместе с мочой, потому что  при нормальной концентрации  глюкозы в крови почки успевают  впитывать глюкозу из мочи  обратно в кровь.  При увеличении  уровня глюкозы в крови выше  определенного значения почки  теряют способность впитывать  глюкозу из мочи, что приводит  к появлению глюкозурии (наличие глюкозы в моче). Глюкозурия характерна для сахарного диабета, однако, может указывать и на другие заболевания.

Нормогликемия - нормальное содержание сахара в крови. 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-энцефалический барьер со скоростью, достаточной для поддержания нормальной функции мозга. Если концентрация глюкозы резко падает, то самые 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, который 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) 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.

Основные заболевания, при  которых уровень глюкозы в  крови повышен:

1.Сахарный диабет – заболевание эндокринной системы, которое возникает при недостаточности инсулина (гормона поджелудочной железы, участвующего в обмене глюкозы). Другими симптомами сахарного диабета являются: снижение  или увеличение массы тела, увеличение аппетита, учащенное мочеиспускание (полиурия),  чувство жажды, а также пониженная сопротивляемость к инфекциям, медленное заживление ран, зуд в области наружных половых органов, снижение зрения и некоторые другие.  Как правило, повышенный уровень сахара крови способствует появлению глюкозурии – выделению глюкозы с мочой (что практически не встречается в норме). См. также Диагностика диабета

2.Феохромоцитома – это заболевание эндокринной системы, которое характеризуется повышенным выделением в кровь адреналина или норадреналина (гормонов, которые способствуют повышению сахара крови). Другие симптомы феохромоцитомы: повышенное артериальное давление с гипертоническими кризами (резкое повышение артериального давления до опасных цифр), приступы сердцебиения, потливости, чувство страха, гнева, дрожь и др.

3.Другие заболевания эндокринной системы с повышением уровня гормонов, которые способствуют выбросу глюкозы в кровь: тиреотоксикоз (заболевание щитовидной железы), синдром или болезнь Кушинга (заболевание гипофиза) и др.

4.Болезни поджелудочной железы: острый и хронический панкреатит, опухоль поджелудочной железы и др. При заболеваниях поджелудочной железы нарушается выделение инсулина, что приводит к развитию вторичного (связанного с заболеванием поджелудочной железы) сахарного диабета.

5.Хронические заболевания печени (цирроз печени, рак печени, гепатит и др.)

6.Прием некоторых лекарств, например, стероидные противовоспалительные лекарства (Преднизолон и др.), оральные контрацептивы, мочегонные средства и др.

4). Глюконеогенез обеспечивает потребности организма в глюкозе в тех случаях, когда диета содержит недостаточное количество углеводов. Постоянное поступление глюкозы в качестве источника энергии особенно необходимо для нервной системы и эритроцитов. При понижении концентрации глюкозы в крови ниже определенного критического уровня нарушается функционирование мозга; при тяжелой гипогликемии возникает коматозное состояние и может наступить летальный исход.  Глюкоза необходима также для жировой ткани как источник  глицерола, входящего в состав  глицеридов; она играет, вероятно, существенную роль в поддержании эффективных концентраций интермедиатов цикла лимонной кислоты во многих тканях. Из этого следует, что даже в условиях, когда большая часть потребностей организма в калориях обеспечивается за счет жира, всегда сохраняется определенная потребность в глюкозе. Кроме того, глюкоза служит единственным видом топлива для работы скелетной мышцы в анаэробных условиях. Она является предшественником молочного сахара ( лактозы ) в молочных железах и активно потребляется плодом в период развития. Следует отметить также, что механизм глюконеогенеза используется для удаления из крови продуктов тканевого метаболизма, например лактата, образующегося в мышцах и эритроцитах, глицерола, непрерывно образующегося в жировой ткани.  Пропионат - главная глюкогенная  жирная кислота , образующаяся в процессе переваривания углеводов жвачными животными, является главным субстратом глюконеогенеза у этих животных.