Гормональная регуляция обмена веществ

Углеводный обмен. Глюкоза наряду с жирами и белками является источником энергии в организме. Запасы энергии в организме в виде гликогена (углеводы) невелики по сравнению с запасом энергии, представленной в виде жиров. Так, количество гликогена в организме человека весом 70 кг составляет 480 г (400 г – гликоген мышц и 80 г – гликоген печени), что эквивалентно 1920 ккал (320 ккал-гликоген печени и 1600 – гликоген мышц). Количество циркулирующей глюкозы в крови составляет всего 20 г (80 ккал).

В организме человека и животных глюкоза, абсорбированная в желудочно-кишечном тракте, поступает по системе воротной вены в печень. Транспорт глюкозы через слизистую оболочку кишечника осуществляется с помощью белкового натрий-глюкозного транспортера или симпортера, который имеет молекулярную массу 55 кДа, включает в себя 664 аминокислоты и ген, кодирующий этот белок-транспортер, локализуется на 22-й хромосоме. Связывание ионов натрия и глюкозы уравновешивается соответствующими конформационными изменениями внутренней поверхности мембраны, где количество связанных ионов натрия небольшое, и глюкоза высвобождается за счет уменьшения аффинности белков к глюкозе даже в том случае, если ее концентрация в межклеточной жидкости относительно высокая. Поступившая из кишечника глюкоза далее превращается в гликоген-полимер глюкозы, молекулярная масса которого исчисляется несколькими сотнями тысяч, тогда как молекулярная масса глюкоза равна 180 кДа.

Гликоген мышц представляет собой скопления, состоящие из отдельных частичек с молекулярной массой 2.107. В печени содержатся как отдельные, так и агрегированные частицы гликогена, их общая масса более 109, в отдельных частицах на 1 г полисахарида приходится 1,1 г воды. Кроме того, в них определяются ферменты, необходимые для синтеза и распада гликогена. Гликоген выявляется почти во всех тканях, но в основном он сохраняется, как указано выше, в качестве депо энергии в печени и мышцах. Количество его в печени подвержено большим колебаниям и зависит от диеты, а содержание гликогена в мышцах находится в прямой зависимости от физической активности индивидуума. В печени человека содержится около 400 ммоль (65 г) глюкозы на 1 кг ткани, в скелетных мышцах-85 ммоль (14 г) на 1 кг массы мышц. Это количество практически не изменяется при голодании, ночью или после приема пищи, богатой углеводами, но снижается до 1 ммоль на 1 кг после работы в течение 1-2 часов. Несмотря на то, что мышцы содержат меньше гликогена на 1кг массы ткани по сравнению с печенью, основное депо гликогена в организме находится в мышцах. У мужчины массой тела 70 кг на долю мышц приходится 28 кг, печени – всего 1,6 кг, следовательно, в печени содержится 0,6 моль, а в мышцах – 2,4 моль глюкозы.

Содержащаяся в этих двух депо глюкоза является основным и почти единственным источником питания инсулиннезависимых тканей. Так, головной мозг массой 1400 г при интенсивности кровоснабжения 60 мл/100 г в минуту потребляет 80 мг/мин глюкозы, т.е. около 115 г за 24 часа. Печень способна генерировать глюкозу со скоростью 130 мг/мин. Таким образом, более 60% глюкозы, образующейся в печени, идет на обеспечение нормальной активности центральной нервной системы, причем это количество остается неизменным не только при гипергликемии, но даже при диабетической коме. Потребление глюкозы ЦНС уменьшается лишь после того, как ее уровень в крови становится ниже 1,65 ммоль/л (30 мг%).

В синтезе одной молекулы гликогена участвуют от 2000 до 20 000 молекул глюкозы. Образование гликогена из глюкозы начинается с процесса фосфорилирования ее с помощью ферментов глюкокиназы (в печени) и гексокиназы (в других тканях) с образованием глюкозо-6-фосфата (Г-6-Ф), последующей его конверсией под влиянием фосфоглюкомутазы в глюкозо-1-фосфат (Г-1-Ф) и затем в уридиндифосфоглюкозу (УДФГ). УДФГ является донатором остатков глюкозы, которые под влиянием гликогенсинтетазы присоединяются к концевым остаткам гликогена; далее с помощью ферментов полимеризации образуются длинные цепочечные “ветвистые” (имеющие боковые цепи) структуры гликогена. Конверсия Г-6-Ф в Г-1-Ф и обратная реакция контролируются фосфоглюкомутазой. Образование УДФГ происходит при участии УДФГ-пирофосфорилазы, гликогена в присутствии гликогенсинтетазы (УДФГ-трансферазы), а ветвистой структуры гликогена – под влиянием фермента, действующего на боковые цепи гликогена (a-1, 4 гликан; a-1, 4 гликан-6-гликозилтрансфераза или a-гликангликозил-4, 6-трансфераза). Гликозил-4, 6-трансфераза катализирует процесс перемещения сегмента амилазы, состоящего из 7 или 11 остатков, от одной боковой цепи к другой. Вновь образовавшаяся боковая цепь гликогена обычно состоит из 7 остатков глюкозы; 1, 6-гликозиды содержат энергию, равную 4800 Дж/моль (1 ккал=4, 3 кДж). Процесс синтеза гликогена носит название гликогеногенеза. Концентрация гликогена в печени быстро повышается после приема большого количества пищи.

Распад гликогена носит название гликогенолиза. При этом высвобождаются глюкоза в виде Г-1-Ф и одна молекула глюкозы из каждой 1, 6 боковой цепи. Первичной является реакция фосфорилирования 1, 4 мостиков каждой боковой цепи с участием основного фермента – фосфорилазы, в результате чего происходит укорочение цепи на один остаток глюкозы, отщепляющийся в виде Г-1-Ф. Эта реакция обратима, однако для последующего распада гликогена требуется участие второго фермента – амило-1, 6-гликозидазы, в составе которого имеется глизил-4, 4-трансферазная активность, способствующая отщеплению 3 остатков и создающая условия для последующего действия фосфорилазы в области связывания 1, 4 остатков глюкозы. Наряду с этим амило-1,6-гликозидаза катализирует вторую реакцию гликогена, действуя на область связывания 1, 6 с высвобождением свободной глюкозы.

Таким образом, фосфорилаза является основным ферментом, осуществляющим контроль скорости высвобождения глюкозы. Активирование фосфорилазы довольно сложный процесс (схема 4). Активированная фосфорилаза А высвобождает из гликогена Г-1-Ф, который под действием фосфоглюкомутазы превращается в Г-6-Ф. Оба монофосфата после дефосфорилирования (соответственно ферментами глюкозо-1-фосфатазой и глюкозо-6-фосфатазой) трансформируются в глюкозу. Кроме того, глюкоза, как было указано выше, образуется непосредственно из гликогена с помощью ферментов, отщепляющих боковые цепи гликогена (амило-1,6-гликозидазы).