Выбор жанра
Пролапс митрального клапана литература

Пролапс митрального клапана литература

КАТАБОЛІЗМ ТА БІОСИНТЕЗ ГЛІКОГЕНУ. РЕГУЛЯЦІЯ ОБМІНУ ГЛІКОГЕНУ. БІОСИНТЕЗ ГЛЮКОЗИ – ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ. МЕХАНІЗМИ ГОРМОНАЛЬНОЇ РЕГУЛЯЦІЇ ТА ПАТОЛОГІЯ ОБМІНУ ВУГЛЕВОДІВ

 

 

ГЛІКОГЕН (С6Н10О5)n (лат. Glycogenum, грец. glykys  солодкий + genos  рід, походження)  основний резервний полісахарид вищих тварин і людини, побудований із залишків α-D-глюкози. Його роль є аналогічною до ролі крохмалю в клітинах рослин. Глікоген міститься в усіх органах і тканинах тварин і людини, а також у невеликих кількостях у бактеріях і рослинах. Найбільша кількість його виявлена в печінці (близько 7% загальної маси органу) і скелетних м’язах.

Молекули глікогену мають розгалужену структуру і складаються із залишків α-D-глюкози, з’єднаних 1-4- та 1-6-глікозидними зв’язками (рис. 1).

Рис. 1. Структура молекули глікогену

У молекулі глікогену розрізняють внутрішні гілки – ділянки поліглюкозидних ланцюгів між точками розгалуження, і зовнішні гілки – ділянки від периферичної точки розгалуження до нередукуючого кінця ланцюга (рис. 2).

 

Рис. 2. Будова молекули глікогену (за Майєром): білі кільця  залишки глюкози, з’єднані α-(1→4)-зв’язком; чорні кільця  залишки глюкози, з’єднані за допомогою α-(1→6)-зв’язку (місця розгалуження); R  редукуюча кінцева група.

 

Здатність печінки підвищувати концентрацію глюкози в крові та наявність у ній крохмалеподібної речовини, яку було названо глікогеном, була відкрита у 1875 р. Клодом Бернаром.

 

Бернар Клод (1813-1878) – французький фізіолог і патолог, член Паризької Академії наук. Працював асистентом у лабораторії Ф. Мажанді, а після його смерті очолив кафедру експериментальної медицини.

Основні роботи: анатомія і фізіологія секреторного нерва слинної залози, дисертація про шлунковий сік та його роль в харчуванні. Встановив глікогенну функцію печінки, зв’язок між утворенням глікогену і засвоєнням їжі, здатність печінки утворювати глікоген з білка. Доказав, що глікоген печінки є джерелом цукру крові. Виявив роль печінки і ЦНС в регуляції вуглеводного обміну.

 

Через кожні 8-10 мономерних залишків відбувається галуження, бічні гілки приєднані (α1→6)-зв’язками. Таким чином молекула глікогену значно більш компактна і розгалужена ніж крохмалю. Ступінь полімеризації близький до такого в амілопектину.

Всі розгалуження глікогену мають нередукуючі кінці, отже якщо кількість гілок рівна n, то у молекулі буде n-1 нередукуючих кінців і всього один редукуючий. Коли відбувається гідроліз глікоген з метою використання його в якості джерела енергії, залишки глюкози по одному відщеплюються від нередукючих кінців. Їх велика кількість дозволяє суттєво прискорити процес. Найбільш стабільною конформацією гілок із (α1→4)-зв’язками є щільна спіраль із шістьма залишками глюкози на оберт (площина кожної молекули повернута на 60° відносно попередньої).

Для виконання своєї біологічної функції – забезпечення максимально компактного зберігання глюкози та одночасно можливості її швидкої мобілізації, глікоген повинен мати будову оптимізовану за кількома параметрами:

1) кількістю ярусів (рівнів) галуження;

2) кількістю гілок у кожному ярусі;

3) кількістю залишків глюкози у кожній гілці.

Для молекули глікогену із сталим числом мономерних ланок кількість зовнішніх гілок, з яких може мобілізуватись глюкоза до точки галуження, падає із зростанням середньої довжини кожної гілки. Щільність найбільш зовнішніх гілок стерично обмежена, через це максимальний розмір молекули глікогену зменшується із збільшенням кількості гілок на одному рівні. Зрілі молекули глікогену різного походження мають в середньому 12 ярусів галуження, на кожному із яких розміщується в середньому по дві гілки, кожна зі яких містить близько 13 залишків глюкози. Математичний аналіз показав, що така будова дуже близька до оптимальної для мобілізації максимальної кількості глюкози за мінімальний час.

Поширення і значення глікогену

Глікоген є формою запасання глюкози у тварин, грибів, деяких бактерій (зокрема ціанобактерій) та арехей. У мікроорганізмів глікоген більш менш рівномірно розкиданий по цитоплазмі клітини у вигляді гранул діаметром 20–100 нм, їх зазвичай можна побачити тільки через електронний мікроскоп. Якщо клітина містить багато глікогену вона стає червоно-коричневою при зафарбовуванні розчином йоду.

У хребетних тварин найбільші кількості глікогену запасаються печінкою, де він може становити 7–10 % загальної маси (100 –120 г у дорослої людини), та скелетними м’язами (1-2 % від загальної маси). Невеликі кількості глікогену знаходяться в нирках, і ще менші  в певних гліальних клітинах мозку і білих кров’яних тільцях.

Запасання глюкози не у вільній формі, а саме у вигляді полісахаридів диктується двома причинами. По-перше, якби, наприклад, у гепатоциті вся маса глюкози, що входить до складу глікогену, перебувала у вільному стані, її концентрація сягнула би 0,4 моль/л. А це у свою чергу призвело би до значного підвищення осмотичного тиску цитозолю, надмірного надходження води у клітину і її розривання. По-друге, така висока концентрація глюкози зробила би фактично неможливим її активний транспорт із оточення клітини, у випадку гепатоцита із крові, де рівень глюкози становить всього 5 ммоль/л. Зберігання ж глюкози у формі глікогену дозволяє скоротити її концентрацію у клітині до 0,01 мкмоль/л.

Запаси глікогену у людей значно менші ніж запаси жирів. Останні мають ряд переваг: по-перше, вони дають можливість отримати більше, ніж вдвічі більше енергії, ніж така ж маса вуглеводів, по-друге, це гідрофобні молекули і, на відміну від вуглеводів, не потребують гідратації, а це дозволяє скоротити масу енергетичних запасів. Проте глікоген є швидшим джерелом енергії, крім того в організмі тварин відсутні метаболічні шляхи перетворення жирних кислот у глюкозу, а отже вони не можуть використовуватись мозком і в анаеробному метаболізмі м’язів.

У гепатоцитах глікоген зберігається у вигляді великих цитоплазматичних гранул. Елементарна так звана β-частинка, що є однією молекулою глікогену, має діаметр близько 21 нм і включає до 55 000 залишків глюкози та має 2000 нередукуючих кінців. 20-40 таких часточок разом утворюють α-розетки, які можна бачити у під мікроскопом у тканинах тварин, яких добре годують. Проте вони зникають після 24-годинного голодування. Глікогенові гранули – це складні агрегати, до складу яких крім самого глікогену входять ферменти, що синтезують і розщеплюють його, а також регуляторні молекули (рис. 3).

Глікоген у м’язах слугує джерелом швидкої енергії як за аеробного, так і за анаеробного метаболізму. Його запаси можуть бути вичерпані за одну годину інтенсивного фізичного навантаження.

 

Рис. 3. Гранули глікогену у м’язовій клітині

 

Глікоген у м’язах слугує джерелом швидкої енергії як за аеробного, так і за анаеробного метаболізму. Його запаси можуть бути вичерпані за одну годину інтенсивного фізичного навантаження. Регулярне тренування дозволяє збільшити запаси глікогену в м’язах, внаслідок чого вони можуть довше працювати без втоми. У печінці глікоген є резервом глюкози для інших органів, на той випадок, якщо її надходження із їжею обмежене. Особливо важливий такий запас для нейронів, які не можуть використовувати в якості енергетичного субстрату жирні кислоти. Печінковий запас глікогену під час голодування вичерпується за 12-24 годин.

Глікоген також міститься у секреті залоз матки, який вони виділяють в її порожнину у постовуляційний період менструального циклу після запліднення. Тут полісахарид використовуються як джерело живлення для ембріона до його імплантації. Глікоген також надходить в організм із їжею і розщеплюється у тонкому кишківнику гідролітичними ферментами.

Норма глікогену в крові – 16,2 – 38,7 мг/л. Підвищення концентрації глікогену в крові спостерігають при інфекційних захворюваннях, хворобах крові, що супроводжуються лейкоцитозом, діабеті, новоутвореннях. Зниження концентрації глікогену характерне для дітей з гострими гепатитами. Важливе клінічне значення має цитохімічне визначення рівня глікогену в клітинах крові, кісткового мозку та печінці.

 

Обмін глікогену

Синтез глікогену

Для синтезу полісахаридних ланцюгів глікогену глюкозо-6-фосфат повинен спочатку перетворитись у більш реакційноздатну форму – уридиндифосфатглюкозу (УДФ-глюкозу), яка є безпосереднім донором ­залишків глюкози в процесі синтезу. УДФ-глюкоза утворюється за дві реакції.

1. Перетворення глюкозо-6-фосфату у глюкозо-1-фосфат під дією фосфоглюкомутази:

2. Взаємодія глюкозо-1-фосфату з уридинтрифосфатом (УТФ), що каталізується глюкозо-1-фосфатуридилтрансферазою (УДФ-глюкозопірофосфорилазою):

Пірофосфат (ФФн) відразу ж гідролізується пірофосфатазою до двох молекул неорганічного фосфату, тому реакція йде у напрямку незворотного утворення УДФ-глюкози.

Далі залишок глюкози з УДФ-глюкози переноситься на кінець уже існуючої молекули глікогену. Реакцію каталізує глікогенсинтаза, яка відноситься до трансфераз, а не до синтетаз. У цій реакції утворюється новий альфа-1,4-глікозидний зв’язок між першим атомом вуглецю залишку глюкози, який приєднується, і гідроксилом у С-4 кінцевого залишку глюкози ланцюга глікогену:

УДФ-глюкоза + (глюкоза)n  ® УДФ + (глюкоза)n+1

УДФ, який вивільняється, перетворюється знову в УТФ за рахунок АТФ (УДФ + АТФ ® УТФ + АДФ). Реакція багаторазово ­повторюється.

При відсутності у клітинах молекул глікогену, наприклад, коли внаслідок голодування запаси його повністю вичерпані, залишок глюкози із УДФ-глюкози переноситься на гідроксильну групу специфічного білка з подальшим нарощуванням вуглеводного ланцюга. Тому молекули глікогену містять сліди білка.

Утворення альфа-1,6-глікозидних зв’язків, які знаходяться у місцях розгалуження глікогену, каталізує фермент глікозил-(4®6)-трансфераза (фермент розгалужень). Це відбувається шляхом відриву фрагмента із 5–7 залишків глюкози із кінця лінійного ланцюга і перенесення його на гідроксил 6‑го вуглецю залишку глюкози,  розміщеного ближче до внутрішньої частини молекули (рис. 4).

Після цього глікогенсинтаза приєднує до ланцюгів нові залишки глюкози. Точки розгалужень утворюються приблизно через кожні 812 залишків вздовж альфа-1,4-ланцюга.

Така сильно розгалужена структура глікогену має важливе значення. По-перше, вона забезпечує наявність великої кількості кінців у молекулі, що забезпечує швидке  приєднання чи звільнення молекул глюкози. Тому сильно розгалужена структура глікогену вигідніша, ніж менш розгалужена структура крохмалю.

Рис. 4. Схема дії глікозил-(4→6)-трансферази

 

І, по-друге, цим досягається компактність, щільність упаковки молекул, які депонуються у клітинах у вигляді гранул діаметром 20 мкм. Із гранулами зв’язані ферменти синтезу й розпаду глікогену. Молекулярна маса молекул значно коливається (105-108).

Основні запаси глікогену в організмі містяться в скелетних м’язах і печінці. Вміст у печінці складає 2-8 % маси органа і залежить від регулярності харчування і фізичного навантаження. Концентрація глікогену в скелетних м’язах, що знаходяться у стані спокою, – тільки 0,5-1 %, але із-за великої маси м’язів більша частина глікогену тіла знаходиться в них. У середньому у дорослої людини після споживання їжі міститься в печінці близько 100 г глікогену, а в м’язах (стан спокою) – 400 г. Глікоген м’язів служить джерелом енергії під час скорочення м’язів, а функція глікогену печінки – підтримувати постійність концентрації глюкози в крові. Кількісні показники вмісту глікогену в органах дорослої людини наведені в таблиці 1.

 

Таблиця 1. Вміст глікогену та глюкози в організмі людини (масою 70 кг, після споживання їжі)

Пул вуглеводів

Концентрація

Загальна кількість

Глікоген печінки 1

4,0%

72 г

Глікоген м’язів 2

0,7%

245 г

Глюкоза екстрацелюлярна 3

 

0,1%

 

10 г

Всього

 

327 г

 

Примітки:  1 маса печінки 1,8 кг;

2 маса м’язів35 кг;

3 загальний об’єм екстрацелюлярної рідини10 л.

 

Глікогеноліз. Запасним полісахаридом в тканинах людини є глікоген.

Процес розпаду глікогену називається глікогенолізом. Цей процес може здійснюватися або шляхом гідролізу, або фосфоролізу.

 

 

Фосфороліз є основним шляхом розпаду глікогену, його каталізує фермент глікогенфосфорилаза, що відноситься до класу трансфераз.

Глікогенфосфорилаза відщеплює залишки глюкози з нередукуючого кінця глікогену (рис. 5) і переносить їх на молекулу фосфорної кислоти з утворенням глюкозо-1-фосфату:

Глюкозо-1-фосфат швидко ізомеризується, перетворюючись на глюкозо-6-фосфат, який у печінці гідролізується фосфатазами до глюкози і фосфорної кислоти:

 

Процес фосфоролізу глікогену тонко регулюється. Регуляція активності глікогенфосфорилази носить каскадний характер, в якому можна виділити кілька видів регуляції ферментативної активності:

1) гормональна (глюкагон в печінці, адреналін у м’язах);
2) алостерична;

3) протеїнкіназні реакції (в даному випадку – фосфорилювання бічного радикалу серину в глікогенфосфорилазі).

Активність м’язової фосфорилази збільшується при певній концентрації АМФ і ацетилхоліну, а також у присутності катіонів кальцію і натрію. Зниження швидкості фосфоролізу відбувається при зменшенні запасів глікогену і фосфорної кислоти, а також при збільшенні концентрації глюкозо-6-фосфату. Механізми, що знижують швидкість фосфоролізу глікогену, захищають організм від великих витрат вуглеводних запасів (глікогену), які могли б призвести до нестачі глюкози, необхідної для роботи головного мозку і серцевого м’яза.

Гідроліз глікогену каталізується ферментами амілазами, які відносяться до класу гідролаз. В результаті гідролізу глікоген розщеплюється до вільної глюкози:

 

 

Гідролітичний розпад глікогену відбувається, як правило, в печінці. Глюкоза, отримана при фосфоролізі і гідролізі глікогену, поступає у різні тканини і органи організму, де піддається подальшому розпаду. Таким чином, глікоген печінки служить джерелом глюкози для всього організму, а глікоген м’язів, мозку розпадається до глюкозо-6-фосфату, який використовується у цих тканинах.

 

 

Рис. 5. Схема розщеплення глікогену

 

 

Спадкові порушення обміну глікогену

Відомі спадкові хвороби, пов’язані з дефектом якогось одного із ферментів обміну глікогену. Їх називають глікогенозами, чи глікогеновими хворобами. В табл. 2 і на рис. 6 наведені типи глікогенозів і їх характеристика.

Глікогенози – спадкові хвороби, молекулярною основою виникнення яких є уроджена недостатність синтезу певних ферментів глікогенолізу, пов’язана з дефектами в генетичній системі клітин. При глікогенозах у внутрішніх органах та тканинах (здебільшого в печінці, м’язах, клітинах крові) спостерігається накопичення аномально надмірної кількості глікогену, іноді зі зміненою молекулярною структурою, який не може використовуватися у метаболічних процесах. Клінічно глікогенози проявляються важкою гіпоглюкоземією внаслідок нездатності глікогену печінки розщеплюватися з вивільненням молекул глюкози.

Глікогенози, при яких ушкоджені ферментні системи мобілізації глікогену печінки, характеризуються збільшенням маси органа, жировою дистрофією гепатоцитів та явищами цирозу. Недостатність ферментних систем глікогенолізу в м’язах супроводжується судомами за умов фізичних навантажень.

Таблиця 2. Спадкові порушення обміну глікогену

Тип

Назва хвороби

Дефектив-ний фермент

Органи і тканини

Вміст глікогену

Структура глікогену

І

Гірке

Глюкозо-6-фосфатаза

Печінка, нирки, кишечник

Підвищений

Нормальна

ІІ

Помпе

α -1,4-глюкозидаза

всі

Підвищений

Нормальна

ІІІ

Корі

α-(1→6)-глюкозидаза

Печінка, серце, м’язи, лейкоцити

Підвищений

Сильно укорочені бокові гілки

ІV

Андерсена

Глікозил-(4→6)-трансфераза

Печінка, м’язи, лейкоцити

Підвищений

Довгі, малорозгалу-жені ланцюги

V

Мак-Ардля

Фосфорилаза

Скелетні м’язи

Підвищений

Нормальна

VI

Герса

Фосфорилаза

Печінка

Підвищений

Нормальна

VIІ

Таруї

Фосфофрук-токіназа

М’язи, еритроцити

Підвищений

Нормальна

O

Льюіса

Глікоген-синтаза

Печінка, нирки

Знижений

Нормальна

 

Аглікогенози – спадкові хвороби накопичення глікогену, молекулярною основою яких є генетичні дефекти, що призводять до порушення утворення ферменту глікогенсинтази.

Внаслідок недостатності глікогенсинтази гепатоцити не здатні утворювати резерви глікогену, концентрація якого всередині клітин значно зменшена. Внаслідок відсутності глікогенових резервів хворі при аглікогенозах, як і при глікогенозах, страждають від глибокої гіпоглюкоземії, особливо натщесерце, після значної перерви з часу надходження харчової глюкози. Гіпоглюкоземія при аглікогенозах може супроводжуватися важкою комою внаслідок енергетичного голодування головного мозку. Такі хворі звичайно вмирають у ранньому дитячому віці.

При нестачі глікогенсинтази в печінці значно знижується вміст глікогену, в проміжках між споживанням їжі швидко настає зменшення концентрації глюкози в крові, а після надходження значної кількості вуглеводів спостерігається тривала гіперглікемія. Нестача ферментів розпаду глікогену зумовлює його накопичення в тканинах. При цьому структура глікогену може бути нормальною або, при відсутності альфа‑(1®6)-глюкозидази, аномальною, з дуже короткими боковими гілками. У хворих спостерігаються характерні для кожного типу клінічні симптоми: збільшення печінки (тип І, ІІІ, VI), м’язова слабість (тип V), затримка розумового розвитку і корчі внаслідок виражених гіпоглікемій (тип І). Нестача глікозил-(4®6)-трансферази також призводить до аномальної структури глікогену – з довгими малорозгалуженими ланцюгами. І хоч при цьому типі глікогенозу (IV) кількість глікогену може бути зниженою чи нормальною, але внаслідок, вірогідно, реакції організму на саме таку структуру молекул глікогену настають печінкова недостатність і смерть у ранньому віці. Рання смерть спостерігається і при глікогенозі типу ІІ (хворобі Помпе), коли відсутній фермент лізосом альфа-глюкозидаза. В нормі під дією цього ферменту розпадається тільки 1-3 % глікогену клітин печінки, м’язів, серця. При відсутності альфа-глюкозидази глікоген накопичується у вакуолях цитоплазми клітин.

Рис. 6. Схема метаболізму глікогену.

Ферменти: 1 – гексокіназа (глюкокіназа);

2 – фосфоглюкомутаза;

3 – глюкозо-1-фосфатуридилтранфераза;

4 – глікогенсинтаза; 5 – глікозил-(4→6)-трансфераза;

6 – глікогенфосфорилаза; 7 – α-(1→6)-глюкозидаза;

8 – глюкозо-6-фосфатаза; 9 - α-1,4-глюкозидаза лізосом.

Римськими цифрами вказано типи глікогенозів.

 

За клінічними ознаками розрізняють три основні форми глікогенозів: 1) печінкову; 2) м’язову; 3) генералізовану.

Печінкова форма.

Ознаки з’являються на першому році життя, починаючи з 8-9 місяця, коли відзначаються рідкі напади гіпоглікемії. Вони характеризуються тимчасовою втратою свідомості, клонічними судомами кінцівок. Напади починаються до їжі або вранці, їх появі можна запобігти прийманням солодкої води. Характерний зовнішній вигляд дітей: маленький зріст, великий живіт, худі кінцівки, «лялькове обличчя». Відзначається збільшення печінки. Найбільш небезпечний вік – перші 4-5 років. Інфекційні захворювання ускладнюють перебіг патологічного процесу. З віком стан хворого поліпшується завдяки розвитку компенсаторних механізмів обміну. Інтелект, як правило, не порушений. При гістохімічному дослідженні печінки виявляють сильне розростання колагенової сполучної тканини, печінкові клітини багаті на глікоген, містять багато ліпідів.

М’язова форма.

Симптоми захворювання з’являються з 7-10 років. Хворі стають малорухливими, швидко втомлюються при фізичному навантаженні. М’язова слабкість прогресує, з’являються болі в працюючих м’язах, серцебиття, задуха. Усі ці симптоми розвиваються до 25-35 років. Зовнішній вигляд хворих не змінений. Симптомів зміни печінки і нирок немає. При огляді виражена атрофія м’язів та їх гіпотонія. При гістохімічному дослідженні видно м’язові волокна з дегенерацією, аж до некрозу. Вони містять вакуолі, наповнені глікогеном. Прогноз захворювання сприятливий, але відомі летальні наслідки в 20-30 років.

Генералізована форма.

При цій формі захворювання практично в усіх органах і тканинах накопичується велика кількість глікогену. Клініка її не схожа на клініку печінкової і м’язової форм, вона різноманітна, має прогресуючий перебіг.

Біохімічні форми глікогенозів.

1-й тип (хвороба Гірке) викликаний відсутністю активності специфічної глюкозо-6-фосфатази в печінці і слизовій кишківника. Успадковується за аутосомно-рецесивним типом. Порушується одна з головних функцій печінки – підтримання гомеостазу глюкози крові і порушений процес утворення глюкози з амінокислот. Водночас у гепатоцитах знаходять багато ліпідів. Клінічна картина дуже типова для печінкової форми глікогенової хвороби. Особливістю є те, що у дітей 5-7 років бувають геморагічні висипання і кровотечі, пов’язані з порушенням функції тромбоцитів. Іншою особливістю є підвищення у крові сечової кислоти, симптомокомплекс подагри розвивається у більш пізньому віці. Часто відзначається збільшення нирок.

Діагностувати захворювання можна за допомогою введення мічених атомів глюкози. Остаточний діагноз ставлять за результатами біопсії печінки: наявність у клітинах великої кількості нормального за структурою глікогену, що є специфічною ознакою цього захворювання. Хворим рекомендують уникати вживання продуктів, які містять сахарозу і лактозу.

2-й тип (хвороба Помпе) - хвороба має найбільш несприятливий перебіг, при цьому в усіх органах відсутні лізосомна альфа-глюкозидаза і гамма-амілаза, що призводить до накопичення глікогену в усіх тканинах і насамперед інтенсивно працюючих м’язах (серце). Хвороба з’являється на першому році життя у вигляді симптомокомплексу серцевої недостатності. Відзначається збільшення серця, печінки, гіпертрофія м’язів, збільшення язика. Дитина часто збуджена, але її спонтанні рухи поступово стають обмеженими, сухожилкові рефлекси до 4-5-місячного віку зникають.

Прогноз несприятливий – дитина гине до кінця 1-го року життя. При патологоанатомічному дослідженні зміни виявляють у всіх органах і тканинах. Генетично захворювання вважається аутосомно-рецесивним. Частіше хворіють хлопчики. Ефективного лікування не існує. Можлива пренатальна діагностика цього захворювання методом амніоцентезу (дослідження клітин шкіри плоду). 

3-й тип(хвороба Корі) викликаний відсутністю або зниженням активності аміло-1,6-глюкозидази. При ньому страждають печінка, серце і кісткові м’язи.

Клінічна картина відноситься до печінкової форми захворювання і подібна до такої при І типі глікогенозу. Прогноз, як правило, сприятливий. Захворювання найбільш небезпечне в 4—5 років, коли часті напади гіпоглікемії. У більш зрілому віці симптоми захворювання згладжуються. Лікування дає хороші результати при застосуванні багатої на білки дієти з частими прийомами їжі, щоб утворення глюкози йшло обхідним шляхом за допомогою трансамінування амінокислот.

 4-й тип (хвороба Андерсена) викликаний відсутністю ферменту амілотрансглюкозидази. Замість глікогену в уражених органах синтезується полісахарид, подібний до амілопектину. Хвороба з’являється з першого року життя і подібна за клінікою до цирозу печінки. Фермент відсутній у печінці, нирках, селезінці, серцевому і кістковому м’язах. Смерть настає на першому році життя.

5-й тип(хвороба Мак-Ардля) характеризується дефіцитом фосфорилази тільки в м’язах. Захворювання успадковується  за аутосомно-рецесивним типом. Клініка типова для м’язової форми глікогенозу.

 

Регуляція метаболізму глікогену

 

Глікоген є головною молекулярною формою запасання вуглеводів в організмі людини і тварин, що акумулюється у вигляді внутрішньоклітинних гранул, переважно в печінці та м’язах, під час травлення і витрачається в проміжках між прийомами їжі. Концентрація глікогену в гепатоцитах значно перевищує його концентрацію в клітинах м’язів, але, враховуючи загальну масу скелетних м’язів, в останніх зберігається більша частина тотального глікогену організму.

Завдяки наявності глюкозо-6-фосфатази, мобілізація глікогену печінки призводить до утворення вільної глюкози, що визначає функцію гепатоцитів у підтриманні рівня глікемії в умовах зменшення або відсутності абсорбції глюкози з кишечника. Вичерпання резервів глікогену печінки спостерігається у людини через 12-18 год після прийняття їжі; в цих умовах рівень глюкози в крові, необхідний для нормального функціонування інших тканин, насамперед головного мозку, підтримується за рахунок глюконеогенезу в печінці та нирках. На відміну від печінки, м’язи використовують глікогеноліз лише для покриття власних енергетичних потреб. Значне зменшення концентрації глікогену м’язів спостерігається лише після тривалої та виснажливої фізичної роботи.

Виходячи із зазначеного, в організмі повинні існувати регуляторні механізми, що контролюють координовані зміни процесів синтезу та розпаду глікогену в умовах змін у режимі харчування, переходу організму від стану спокою до активної діяльності.

Ключову роль у регуляції реакцій глікогенолізу та глікогенезу відіграють ключові ферменти розщеплення та синтезу глікогену глікогенфосфорилаза та глікогенсинтаза.

Глікогенсинтаза існує в неактивній фосфорильованій формі й активній нефосфорильованій формі. Навпаки, неактивна форма глікогенфосфорилази (фосфорилаза b) є нефосфорильованою, а активна форма, фосфорилаза a, фосфорильована (рис. 7).

Кожна із цих форм у свою чергу може перебувати в одній із двох конформацій: каталітично активній розслабленій R (від англ. relaxed) та каталітично неактивній напруженій T (від англ. tense). Для фосфорилази a рівновага зміщена в сторону переходу в R стан, тоді як більшість фосфорилази b перебуває у T стані.

Конформаційний перехід від T до R стану передбачає поворот мономерів на 10° навколо осі симетрії другого порядку димеру. Внаслідок чого відбувається зміна розташування α-спіралей і вихід із активного центру петлі, що закривала його у T-стані і перешкоджала зв’язуванню субстрату. Окрім того відбувається поворот бічного ланцюга залишку аргініну 569 поблизу піридоксаль-5’-фосфату, через що збільшується спорідненість ферменту до ортофосфату. Перехід між напруженою та розслабленою формами ферменту регулюється зв’язуванням алостеричних модуляторів, які відрізняються у різних тканинах.

 

 

Рис. 7. Перехід a та b форм глікогенфосфорилази між напруженою та розслабленою конформаціями

 

Реакцію фосфорилювання глікогенсинтази каталізує цАМФ-залежна протеїнкіназа, а фосфорилази – цАМФ-залежна кіназа фосфорилази b. Під час реакції фосфатна група переноситься із АТФ на гідроксильну групу двох залишків серину молекул глікогенсинтази і фосфорилази b. Ферменти фосфопротеїнфосфатази каталізують протилежну реакцію – відщеплюють фосфатні групи шляхом гідролізу, тобто переводять глікогенсинтазу і фосфорилазу в дефосфорильовану форму (рис. 8).

Підкреслимо,  що фосфорилювання зумовлює активацію фосфорилази й інактивацію глікогенсинтази, а дефосфорилювання – протилежні ефекти. Таким чином, якщо стимулюється синтез глікогену, то одночасно гальмується його розпад, і навпаки. Активність кіназ і фосфатаз, а значить, синтез і розпад глікогену, знаходяться під гормональним контролем. Синтез глікогену стимулює інсулін, а розпад – адреналін і глюкагон. Дія адреналіну і глюкагону опосередковується через вторинний посередник – цАМФ.

Рис. 8. Регуляція активності глікогенсинтази і глікогенфосфорилази шляхом ферментативного фосфорилювання і дефосфорилювання.

 

Зв’язування їх зі своїми рецепторами, локалізованими у клітинній мембрані, зумовлює активацію аденілатциклази, яка каталізує синтез цАМФ із АТФ (рис. 9). цАМФ активує протеїнкіназу.

Неактивна протеїнкіназа складається із двох каталітичних і двох регуляторних субодиниць. При підвищенні концентрації у клітині цАМФ він зв’язується з регуляторними субодиницями, що викликає розпад тетрамерної форми протеїнкінази. Звільнені каталітичні субодиниці протеїнкінази каталізують реакцію фосфорилювання кінази фосфорилази, що переводить її в активну форму і таким чином зумовлює утворення фосфорилази a. Одночасно каталітичні субодиниці протеїнкінази каталізують фосфорилювання глікогенсинтази, тим самим перетворюючи її в неактивну форму.

http://www.youtube.com/watch?v=oBL0OC3IavI

Рис. 9. Каскадний механізм дії гормонів:

R1– рецептор адреналіну, R2– рецептор глюкагону.

 

Багатостадійність передачі сигналу від гормону до фосфорилази, яка безпосередньо каталізує розпад глікогену, має важливе значення, оскільки в такому каскадному процесі досягається сильне і швидке підсилення сигналу. Так, зв’язування декількох молекул адреналіну ­зумовлює синтез більшої кількості молекул цАМФ, а далі кожна молекула ферменту активує велику кількість молекул наступного ферменту (протеїнкіназа   кіназа фосфорилази – фосфорилаза). Активність фосфорилази досягає ­максимуму вже через декілька хвилин після зв’язування адреналіну клітинами печінки, а підсилення сигналу складає близько 25 млн раз (декілька молекул гормону викликають надходження із печінки в кров декількох грам глюкози).

Послідовність реакцій, що призводить до інактивації глікогенсинтази, має на одну стадію менше, ніж послідовність активації фосфорилази (рис. 9). Тому підсилення гормонального сигналу більше у системі розпаду глікогену. Максимальна швидкість синтезу глікогену м’язів не перевищує 0,3 % максимальної швидкості глікогенолізу.

При припиненні секреції адреналіну чи глюкагону аденілатциклаза переходить в неактивний стан. Наявний цАМФ розпадається під дією фосфодіестерази до АМФ, і в результаті утворюється тетрамерна неактивна форма протеїнкінази. Фосфатази каталізують дефосфорилювання кінази фосфорилази, фосфорилази а і глікогенсинтази. Таким чином, виключається розпад глікогену і стає можливим його синтез.

Адреналін стимулює розпад і гальмує синтез глікогену в печінці, скелетних м’язах, міокарді. Секреція його у стресових ситуаціях зумовлює вивільнення глюкози із печінки в кров для постачання інших органів, а в м’язах – розпад глікогену до молочної кислоти з виділенням енергії, що забезпечує швидке зростання м’язової активності. Глюкагон стимулює розпад глікогену печінки, але не впливає на глікоген м’язів. Секретується підшлунковою залозою при зниженні концентрації глюкози в крові.

Гормон підшлункової залози інсулін стимулює надходження глюкози в клітини і синтез глікогену. Механізми його дії ще до кінця не з’ясовані. Одним із них є активація інсуліном фосфодіестерази цАМФ, що приводить до зниження внутрішньоклітинного рівня цАМФ, у результаті стимулюється утворення неактивної фосфорилази й активної глікогенсинтази. У гепатоцитах інсулін підвищує активність глюкокінази.

Існує ряд додаткових способів регуляції активності ферментів розпаду і синтезу глікогену:

1. Неактивна фосфорилаза b м’язів може активуватись без фосфорилювання, тобто не перетворюючись у фосфорилазу а. Це здійснюється шляхом зв’язування в алостеричному центрі фосфорилази b АМФ. Алостеричній активації фосфорилази bіз АМФ перешкоджає АТФ. У стані м’язового спокою, коли концентрація АТФ значно більша, ніж АМФ, фосфорилаза знаходиться в неактивній b-формі. Під час роботи м’язів концентрація АТФ знижується, а зростає концентрація АМФ, що зумовлює активацію фосфорилази bі, в результаті, розщеплення глікогену для синтезу АТФ. Але швидке і значне збільшення швидкості глікогенолізу в м’язах відбувається тільки у результаті перетворення фосфорилази b у фосфорилазу а.

2.   Кіназа фосфорилази м’язів також може переходити в активну форму без фосфорилювання. Активатором служать іони кальцію, концентрація яких в саркоплазмі різко зростає у відповідь на нервовий імпульс, який зумовлює скорочення м’язів.

3. Неактивна фосфорильована форма глікогенсинтази активується алостерично глюкозо-6-фосфатом. При наявності достатньо високої концентрації глюкозо-6-фосфату фосфорильований фермент проявляє майже таку активність, як дефосфорильований.

4. Провідну роль у регуляції метаболізму глікогену в печінці відіграє концентрація глюкози. Її високий вміст викликає перехід фосфорилази а у фосфорилазу b й утворення активної глікогенсинтази, що приводить до зупинки розпаду глікогену і стимуляції його синтезу. При зниженні концентрації глюкози синтез глікогену пригнічується і починається його розпад.

 

Глюконеогенез

Головном джерелом глюкози як метаболічного палива для організму людини є її надходження з харчовими продуктами у вигляді полісахариду крохмалю та сахарози. Надлишок глюкози, шо не використовується в окислювальних реакціях аеробного та анаеробного гліколізу, відкладається у вигляді енергетичних депо – глікогену та триацилгліцеролів. Втім, існують метаболічні шляхи, що забезпечують організм глюкозою за рахунок її синтезу з невуглеводних біомолекул.

Глюконеогенез – це процес синтезу глюкози з невуглеводних субстратів. Такими попередниками глюкози є лактат, піруват, більшість амі­нокислот, гліцерин, проміжні продукти циклу лимонної кислоти.

Відбувається глюконеогенез у печінці й, невеликою мірою, в кірковій речовині нирок. Завдяки цьому процесу підтримується концентрація глюкози в крові після того, як вичерпаються запаси глікогену при вуглеводному чи повному голодуванні. Надзвичайно важливе значення глюконеогенезу для організму тварин і людини зумовлюється тим, що мозок має дуже малі запаси глікогену і глюкоза крові служить основним джерелом енергії для нього. При зменшенні концентрації глюкози в крові нижче певної критичної межі порушується функціонування мозку і може настати смерть. Механізм глюконеогенезу також забезпечує видалення з крові таких продуктів тканинного метаболізму, як лактат і гліцерин.

Процес зворотний до гліколізу, але три реакції гліколізу є фактично незворотними, тому глюконеогенез включає 7 гліколітичних реакцій, які мають зворотний напрямок, і три обхідні стадії (рис. 10).

Обхідні реакції каталізуються іншими ферментами і є також незворотними, але вони йдуть у напрямку синтезу глюкози.

Перша незворотна стадія – перетворення пірувату у фосфоенол­піруват, сполуку з макроергічним зв’язком. Здійснюється воно через проміжну речовину – оксалоацетат. Спочатку мітохондріальний фермент піруваткарбоксилаза каталізує АТФ-залежне карбоксилювання пірувату:

Алостеричним активатором піруваткарбоксилази служить ацетил-КоА. Як розглянуто раніше, піруваткарбоксилазна реакція також постачає оксалоацетат для циклу лимонної кислоти.

Рис. 10. Глюконеогенез і гліколіз:

ГА-3-Ф – гліцеральдегід-3-фосфат; ДОАФ – діоксіацетонфосфат.

 

У глюконеогенезі оксалоацетат під дією фосфоенолпіруват-карбо­ксикінази перетворюється у фосфоенолпіруват:

Одночасно відбуваються декарбоксилювання і фосфорилювання. ГТФ, який використовується в цій реакції, регенерується шляхом взаємодії ГДФ з АТФ. Таким чином, на перетворення пірувату у фосфоенолпіруват витрачаються 2 молекули АТФ, тоді як у процесі гліколізу при перетворенні фосфоенолпірувату в піруват синтезується тільки 1 молекула АТФ. Труднощі викликає різна локалізація ферментів у клітині. Фосфоенолпіруват-карбоксикіназа знаходиться в цитоплазмі, а оксалоацетат, який утворюється в мітохондріях, не проникає через мітохондріальну мембрану. Тому оксалоацетат відновлюється в матриксі мітохондрій під дією ферменту циклу Кребса малатдегідрогенази до малату, який може виходити з мітохондрій. Цитоплазматична малатдегідрогеназа окиснює малат назад в оксалоацетат.

Утворений фосфоенолпіруват далі переходить за допомогою зворотних реакцій гліколізу у фруктозо-1,6-дифосфат. На етап перетворення 3-фосфогліцерату в 1,3-дифосфогліцерат затрачається одна молекула АТФ.

Фосфофруктокіназна реакція гліколізу фруктозо-6-фосфат – фруктозо-1,6-дифосфат незворотна, тому інший фермент (фруктозо-­дифосфатаза) каталізує гідроліз фруктозо-1,6-дифосфату до фруктозо-6-фосфату:

Вивільняється неорганічний фосфат, а енергія макроергічного фосфодіефірного зв’язку виділяється у вигляді тепла.

У наступній зворотній реакції фруктозо-6-фосфат перетворюється в глюкозо-6-фосфат, який в обхідній реакції під дією глюкозо-6-фосфатази гідролізується до вільної глюкози: 

Крім того, глюкозо-6-фосфат може використовуватись для синтезу глікогену. Враховуючи необхідність двох молекул пірувату для утворення молекули глюкози, сумарне рівняння глюконеогенезу записується так:

Таким чином, на синтез глюкози з пірувату затрачається значно більше енергії, ніж її утворюється під час гліколізу (шість молекул АТФ проти двох).

Для синтезу глюкози шляхом глюконеогенезу використовуються проміжні продукти циклу лимонної кислоти, які перетворюються в циклі в оксалоацетат. Фактичними субстратами є амінокислоти, які після втрати аміногруп стають проміжними продуктами циклу Кребса та піруватом. Такі амінокислоти називаються глюкогенними. Глюконеогенез з амінокислот інтенсивно відбувається при голодуванні та цукровому діабеті. Крім того, в цих умовах розпадаються жири жирової тканини, причому жирні кислоти застосовуються як джерело енергії в м’язах, печінці й інших тканинах, а гліцерин у печінці шляхом глюконеогенезу переходить у глюкозу.

Іншим важливим субстратом глюконеогенезу є молочна кислота, яка накопичується в організмі під час інтенсивної м’язової роботи внаслідок анаеробного розпаду глікогену. У період відновлення після напруженої роботи молочна кислота переноситься кров’ю з м’язів до печінки, де під дією лактатдегідрогенази окиснюється до пірувату. Частина останнього використовується для глюконеогенезу, а частина розпадається аеробним шляхом, забезпечуючи процес глюконеогенезу АТФ. Глюкоза потрапляє назад у скелетні м’язи і застосовується для відновлення запасу глікогену. Поєднання процесу анаеробного гліколізу в скелетних м’язах і глюконеогенезу в печінці називається циклом Корі й зображене на рис. 11

Молочна кислота утворюється постійно в еритроцитах, мозковій частині нирок, сітківці ока, а в печінці й корі нирок переходить у глюкозу, яка повинна знову надходити в названі клітини і використовуватись. Молочна кислота утворюється постійно в еритроцитах, мозковій частині нирок, сітківці ока, а в печінці й корі нирок переходить у глюкозу, яка повинна знову надходити в названі клітини і використовуватись.

 

Рис. 11. Взаємозв’язок гліколізу і глюконеогенезу (цикл Корі)

 

Таким чином, ця кислота, на відміну від глюкогенних амінокислот, не служить попередником для глюкози крові, що могла б використовуватись у мозку і нервах при голодуванні.

http://www.youtube.com/watch?v=qF3ylhC0VeQ

 

Регуляція глюконеогенезу

У клітинах печінки здійснюється координована регуляція гліколізу і глюконеогенезу відповідно до фізіологічних потреб усього організму. Система контролю включає субстрати і проміжні продукти процесів, регуляторні ферменти та їх ефектори, гормони. Підкреслимо, що регуляторними ферментами глюконеогенезу і гліколізу є ті, що каталізують незворотні реакції і не беруть участі у протилежному процесі. ­Наприклад, піруваткарбоксилаза (активатор – ацетил-КоА) і фруктозодифосфатаза – (активатор – цитрат, інгібітори – АМФ і фруктозо-2,6-дифосфат). На рис. 12 показані регуляторні пункти гліколізу і глюконеогенезу та контрольні чинники.

 

Рис. 12. Регуляція гліколізу і глюконеогенезу в печінці

 

Деякі ефектори одночасно впливають на активність регуляторних ферментів в обох процесах. Так, ацетил-КоА служить активатором піруваткарбоксилази і інгібітором піруваткінази. Крім того, ацетил-КоА є інгібітором піруватдегідрогеназного комплексу і, сповільнюючи розпад пірувату до ацетил-КоА, сприяє переходу пірувату в глюкозу. АМФ інгібує фруктозо-дифосфатазу і разом з тим активує відповідний фермент гліколізу – фосфофруктокіназу. Навпаки, цитрат – активатор фосфатази й інгібітор кінази.

Глюконеогенез стимулюється не тільки активаторами піруваткарбоксилази і фруктозодифосфатази, а й інгібіторами регуляторних ферментів гліколізу (АТФ, аланін, жирні кислоти). Таким чином, коли в клітині є достатня концентрація палива для циклу лимонної кислоти (ацетил-КоА, оксалоацетату, цитрату, жирних кислот, аланіну) чи висока концентрація АТФ і низькі –АДФ та АМФ, посилюється біосинтез глюкози і гальмується гліколіз. У протилежній ситуації стимулюється гліколіз і гальмується глюконеогенез.

На глюконеогенез впливають такі гормони, як глюкагон й інсулін підшлункової залози та глюкокортикоїди кори надниркових залоз. При голодуванні глюкагон посилює розпад жирів у жировій тканині. Жирні кислоти надходять у печінку, де розпадаються до ацетил-КоА. Швидкість окиснення ацетил-КоА в циклі лимонної кислоти відстає від швидкості його утворення, і підвищений рівень ацетил-КоА в клітині активує піруваткарбоксилазу. В результаті посилюється глюконеогенез.

http://www.youtube.com/watch?v=6fmYLF-uiNI

Глюкагон започатковує глюконеогенез ще одним способом – через фруктозо-2,6-дифосфат. Цей регуляторний компонент відкритий у 1980 р. Утворюється фруктозо-2,6-дифосфат із фруктозо-6-фосфату при дії фосфофруктокінази ІІ, а розщеплюється фруктозо-2,6-дифосфатазою:

Фруктозо-2,6-дифосфат активує фермент гліколізу фосфофрукто­кіназу і гальмує активність ферменту глюконеогенезу фруктозо-1,6-дифосфатази. Утворення фруктозо-2,6-дифосфату пригнічується глюкагоном, який шляхом цАМФ-залежного фосфорилювання інактивує фосфо­фруктокіназу ІІ й активує фруктозо-2,6-дифосфатазу. Таким чином, при голодуванні глюкагон знижує внутрішньоклітинну концентрацію фруктозо-2,6-дифосфату, що викликає стимуляцію глюконеогенезу і гальмування гліколізу. Підвищення швидкості глюконеогенезу в печінці призводить до того, що глюкоза надходить у кров і потрапляє в інші органи, насамперед у мозок.

Субстратами глюконеогенезу служать амінокислоти, оскільки під час голодування в крові низьке співвідношення інсулін/глюкагон гальмує синтез білків і стимулює їх катаболізм, зокрема в м’язах, що забезпечує постачання амінокислот у печінку. При тривалому голодуванні зростає секреція корою надниркових залоз глюкокортикоїдів, які посилюють у печінці синтез ферментів глюконеогенезу (фосфоенолпіруват-карбоксикінази, глюкозо-6-фосфатази) й амінотрансфераз – ферментів, які каталізують перетворення глюкогенних амінокислот у піруват і оксалоацетат. У м’язах та інших тканинах глюкокортикоїди гальмують синтез білків. У результаті стимуляції глюконеогенезу глюкокортикоїди збільшують концентрацію глюкози в крові й синтез глікогену в печінці. Інсулін протидіє стимулюючій дії глюкагону і глюкокортикоїдів на глюконеогенез.

 

РЕГУЛЯЦІЯ РІВНЯ Глюкози в крові

 

У нормі через декілька годин після їди концентрація глюкози в крові людини складає 3,33-5,55 ммоль/л. При споживанні вуглеводної їжі вона зростає до 8-9 ммоль/л, а через 2 год повертається до норми. Голодування протягом декількох діб майже не відбивається на рівні глюкози в крові.

Постійність концентрації глюкози дуже важлива з огляду на високу вірогідність порушення функцій головного мозку при гіпоглікемії. Це зумовлюється рядом обставин:

1) енергетичні потреби головного мозку забезпечуються тільки глюкозою (лише на пізній стадії голодування – кетоновими тілами);

2) запаси глікогену в головному мозку дуже незначні;

3) шляхом глюконеогенезу глюкоза в клітинах мозку не ­син­тезується;

4) глюкоза надходить із крові в клітини головного мозку шляхом незалежної від інсуліну дифузії за градієнтом концентрації, при гіпоглікемії надходження стає недостатнім для нормального функціонування мозку. Швидкий розвиток гіперглікемї також може зумовити порушення функцій мозку.

 

Рис. 13. Регуляція рівня глюкози в крові

 

Концентрація глюкози в крові залежить від рівноваги між надходженням її в кров і споживанням тканинами. Оскільки виведення глюкози з організму з сечею в нормі дуже незначне, то підтримка сталості концентрації у відносно вузьких межах за значних коливань надходження з їжею забезпечується процесами обміну в тканинах. Система регуляторних механізмів включає гормони інсулін, глюкагон, адреналін, глюкокортикоїди, а також взаємодії між тканинами (печінкою, м’язами, мозком тощо) (рис. 13, табл. 3).

Після споживання вуглеводної їжі підвищена концентрація глюкози в крові стимулює поглинання її тканинами. Швидкість надходження в клітини печінки, м’язів, мозку й інших тканин прямо пропорційна концентрації глюкози в позаклітинній рідині. Крім того, висока концентрація глюкози в циркулюючій крові стимулює секрецію b-клітинами підшлункової залози інсуліну, який підвищує проникність глюкози через клітинні мембрани скелетних м’язів, жирової тканини.

Таблиця 3. Дія гормонів на обмін вуглеводів і концентрацію глюкози в крові

 

Інсулін

Глюкагон

Адреналін

Глюкокор-тикоїди

Гормон росту

Печінка

Глікогенез

Розпад глікогену до глюкози

Гліколіз

Глюконеогенез

 

+

 

 

 

+

 

 

 

 

+

+

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

+

 

М’язи

Надходження глюкози

Глікогенез

Глікогеноліз

 

 

+

+

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

Рівень глюкози в крові

Примітка: «+» - стимулює , «–» - гальмує.

 

http://www.youtube.com/watch?v=oBL0OC3IavI

У клітинах інсулін стимулює утилізацію глюкози різними шляхами:

А. У печінці й м’язах синтезується глікоген (інсулін індукує синтез глюкокінази печінки, активує гексокіназу і глікогенсинтазу).

Б. У жировій тканині й печінці глюкоза перетворюється в жирні кислоти, які утворюють тканинні резерви у вигляді тригліцеридів жирової клітковини.

В. Для всіх органів і тканин у період травлення й абсорбції катаболізм глюкози служить основним джерелом енергії. Посилюються гліколіз і аеробний розпад глюкози до СО2 і Н2О. Так, після прийому їжі наближення дихального коефіцієнта до одиниці вказує на більшу інтенсивність окиснення глюкози. Величина катаболізму вуглеводів буде залежати від потреби організму в енергії. Крім того, в цей період високе відношення інсулін/глюкагон в крові стримує глюконеогенез. У результаті концентрація глюкози в крові наближається до норми, опускаючись іноді нижче вихідного рівня. Секреція інсуліну поступово припиняється.

При припиненні надходження вуглеводів їжі концентрація глюкози в крові протягом декількох днів майже не знижується завдяки двом процесам: розпаду глікогену печінки і глюконеогенезу. Зменшення концентрації глюкози в крові до нижньої межі норми ініціює виділення підшлунковою залозою глюкагону, який активує фосфорилазу печінки. Зростають розпад глікогену і вихід глюкози в кров. Розпад глікогену печінки підтримує нормальний рівень глюкози в крові не більше 24 год, але вже через 5-6 год після прийому їжі починається повільне підвищення глюконеогенезу із амінокислот і гліцерину, а через 24 год глюконеогенез перебігає з максимальною активністю. Разом із глюкагоном, який активує ферменти глюконеогенезу, включаються глюкокортикоїди, які стимулюють синтез ферментів глюконеогенезу в печінці й посилюють розпад білків у інших тканинах, що забезпечує процес глюконео­генезу субстратами. Внаслідок низького відношення в крові інсулін/глюкагон під час голодування глюкоза не захоплюється печінкою, скелетними м’язами, міокардом, жировою тканиною. Перераховані чинники забезпечують в умовах голодування надходження глюкози в головний мозок у необхідній кількості. При тривалому голодуванні головний мозок, як і інші тканини, використовує як джерело енергії кетонові тіла.

Крім глюкагону і глюкокортикоїдів, концентрацію глюкози в крові підвищує ще ряд гормонів. Адреналін – гормон мозкової частини надниркових залоз – виділяється в стресових ситуаціях і через каскадний механізм викликає швидкий і сильний розпад глікогену печінки до вільної глюкози. Підвищенням рівня глюкози в крові супроводжується дія гормону росту, адренокортикотропіну, тироксину. Таким чином, концентрацію глюкози в крові знижує тільки інсулін, а підвищує ряд гормонів. Існування групи надійних дублюючих механізмів підкреслює той факт, що най­ближчі результати гіпоглікемії небезпечніші, ніж наслідки гіперглікемії.

Узгоджена дія різних гормонів зумовлює досконалість регуляції ­гомеостазу глюкози, забезпечує пристосування обміну вуглеводів у ­всьому організмі до змін харчування, фізичної активності й інших фізіологічних умов.

http://www.youtube.com/watch?v=VLiTbb6MaEU&NR=1

http://www.youtube.com/watch?v=nBJN7DH83HA&feature=related

Підвищена концентрація глюкози в крові внаслідок споживання вуглеводної їжі (аліментарна гіперглікемія) і внаслідок стресу (емоційна гіперглікемія) швидко знижується до норми. Стійка гіперглікемія може розвинутись при цукровому діабеті, який виникає в результаті абсолютної чи відносної недостатності інсуліну. Інші причини гіперглікемії – надлишкова секреція гормону росту, глюкокортикоїдів, іноді ураження ЦНС, порушення мозкового кровообігу, захворювання печінки, підшлункової залози.

Гіперглікемію при цукровому діабеті можна розглядати як корисне пристосування, яке сприяє використанню глюкози клітинами мозку, міокарда, еритроцитами, тобто інсулінонезалежними тканинами. Однак у скелетні м’язи, печінку та інші інсулінозалежні тканини глюкоза не надходить. При високій концентрації глюкози в крові підвищується швидкість зв’язування її з білками (глікозилювання білків), що зумовлює порушення їх функцій, тому тривала гіперглікемія викликає ряд віддалених ускладнень цукрового діабету.

http://www.youtube.com/watch?v=ZsTSoLhl3Y4&feature=related

 

ГЛЮКОЗУРІЇ

Глюкозурії можуть бути наслідками гіперглікемії. Крім того, зустрічаються ниркові глюкозурії первинні та вто­ринні.

При цукровому діабеті порушується обмін речовин, переважно з порушенням обміну вуглеводів. В основі лежить інсулінова недостатність, як абсолютна, так і відносна. Це веде до накопичення глюкози в крові гіперглікемії, а при перевищенні ниркового порога й до глюкозурії.

Причини глюкозурій:

Серед причин, які призводять до появи цукру в сечі, необхідно відзначити:

1) гіперглікемії, вміст яких перевищує нирковий поріг;

2) захворювання нирок, що зв’язані з порушенням реабсорбції глюкози у ниркових канальцях;

3) появу в крові незвичайного цукру з низьким нирковим кліренсом.

Нирковий поріг величина індивідуальна, у дітей вона коливається в межах 190-230 мг%, у дорослих 8-10 ммоль/л(150-180 мг%). Нирковий поріг і зв’язана з ним глюкозурія змінюються при деяких впливах.

При захворюваннях нирок типу гострих нефритів, ураженні тубулярного апарата, отруєнні флоридзином, жовтяниці та інших захворюваннях нирковий поріг знижується. При хронічних ниркових захворюваннях, діабеті, введенні пітуїтрину, паратгормона, адреналіну він підвищується.

Види глюкозурій:

Розрізняють три види глюкозурій:

1) зв’язані з інсулярним апаратом підшлункової залози (панкреатогенні);

2) неінсулярні, позапанкреатичні (екстраінсулярні);

3) зв’язані із захворюванням нирок (ренальні).

Панкреатичні глюкозурії:

Панкреатичні (інсулярні) глюкозурії зумовлюються порушенням функції інсулярного апарата підшлункової залози з недостатнім утворенням інсуліну.

При цукровому діабеті у зв’язку з недостатністю інсуліну порушується утворення глікогену з глюкози, що призводить до гіперглікемії і глюкозурії (при перевищенні ниркового порогу).

Позапанкреатичні глюкозурії:

До позапанкреатичних треба віднести глюкозурії, які мають місце при ураженні інших залоз внутрішньої секреції, центральної нервової системи, а також аліментарну глюкозурію.

Серед глюкозурій центральнонервового походження необхідно виділити ті, які зв’язані з функціональним збудженням центральної нервової системи та симпатичного відділу вегетативної нервової системи. Вони, очевидно, спричиняються рефлекторним посилен­ням розкладу глікогену в печінці.

Токсичні, механічні та інші подразнення центральної нервової системи також зумовлюють гіперглікемію. Спостерігають гіперглікемію і глюкозурію при енцефалітах, менінгітах, токсикозах, черепних травмах, пухлинах головного мозку, внутрішньочерепних крововиливах, гарячкових станах та деяких видах отруєння.

Серед ендокринних глюкозурій треба відзначити глюкозурії, які зв’язані з гіперфункцією надниркових залоз (мозкової речовини і менше кори), гіпофіза та щитовидної залози.

Гіперфункція щитовидної залози (тиреотоксикоз) у 25-35% хворих супроводиться глюкозурією. Введення адреналіну спричи­няє адреналінову глюкозурію; глюкозурія спостерігається також при пухлинах надниркових залоз феохромоцитомі, гіпернефромі.

Пухлини задньої частки гіпофіза, гіперпітуїтризм у 25-40% хворих також супроводяться глюкозурією.

Випадки цукрового діабету, які не піддаються лікуванню інсуліном, очевидно, зв’язані з ендокринними порушеннями з боку гіпофіза та інших залоз внутрішньої секреції.

Можлива поява глюкозурії при захворюваннях печінки печінкові глюкозурії.  Вони зв’язані з недостатністю глікогенутворювальної функції печінки. Часто характерною ознакою бронзового цирозу печінки є глюкозурія.

Значну групу становлять ренальні (ниркові) глюкозурії, серед яких виділяють первинні і вторинні.

Первинна ренальна глюкозурія, зв’язана з аномаліями реабсорбції глюкози у ниркових канальцях, називається ренальним  діабетом. Метаболізм вуглеводів при цьому не порушений, але значно знижений нирковий поріг (25—125 мг%).

При ренальному діабеті з сечею постійно виділяється глюкоза. В той же час рівень цукру в крові залишається в нормі.

Вторинні ренальні глюкозурії зумовлені патологією нирок. Вони супроводжують нефрити, нефрози, нефросклерози. При цьому в сечі, як правило, містяться білки, еритроцити, лейкоцити.

 

Методи визначення глюкози в сечі

Якісне   визначення   глюкози   в   сечі. Якісні реакції грунтуються на редуктивних властивостях альдегідної групи глюкози. Як окиснювач беруть речовини, які, відновлюючись, утворюють забарвлені розчини. Це реакції Фелінга, Тромера.

Уніфікований метод  визначення   глюкози   в  сечі  за  допомогою  індикаторних   смужок   «ГЛЮКОТЕСТ».

Принцип  методу. Метод грунтується на специфічному окисненні глюкози ферментом глюкозооксидазою до глюконової кислоти і пероксиду водню при наявності молекулярного кисню. Зміна кольору барвника під впливом пероксидазу свідчить про наявність глюкози в сечі.

Реактивний папірець «Глюкотест» це смужка паперу 5х0,5 см, який має поперечну смужку світло-жовтого кольору, насичену розчином ферментів (глюкозооксидазою, пероксидазою), ортолідином, цитратним буфером, желатиною та жовтим барвником аураміном. Аурамін змінює своє забарвлення від жовтого до темно-синього при наявності в сечі глюкози більше 2 %. За допомогою «Глюкотесту» можна виявити глюкозу в сечі і визначити її концентрацію (рис. 14). Цей метод має високу субстратну специфічність і дозволяє виявити в сечі концентрацію глюкози від 0,03 % до 0,5 % та вище.

 

Смужку «Глюкотесту» занурюють у свіжозібрану досліджувану сечу. Після цього швидко її виймають і на 2 хв залишають на пластмасовій пластинці. Потім порівнюють змінене забарвлення кольорової смужки на папері з кольоровою шкалою, яка є в комплекті. Вміст глюкози в сечі визначають за найбільшим співпаданням кольору, що є на шкалі смужки. Якщо глюкоза в сечі відсутня, колір смужки не змінюється.

Кількісне визначення вмісту глюкози в сечі за методом Альтгаузена.

Принцип  методу. Метод грунтується на тому, що сеча, яка містить цукор, при кип’ятінні з лугом набуває різних відтінків коричневого кольору (від жовтого до темно-бурого). Продуктами реакції є молочна кислота та гумінові речовини.

При наявності цукру в сечі у пробірці утворюється один з відтінків стандартної шкали Альтгаузена.

Клініко-діагностичне значення. Якісне та кількісне визначення цукру в сечі має велике діагностичне та прогностичне значення. Глюкозурія може зустрічатися при цукровому діабеті, гострих запальних процесах підшлункової залози, гіпертиреозі, акромегалії,  синдромі Іценко-Кушинга, захворюваннях печінки, внаслідок порушення синтезу глікогену, запальних процесах нирок, вагітності, надмірному вживанні вуглеводів з їжею.

 

ЦУКРОВИЙ ДІАБЕТ

 

Цукровий діабет – ендокринна хвороба, що характеризується генетично детермінованим абсолютним або відносним дефіцитом гормону підшлункової залози інсуліну. В основі розвитку цукрового діабету лежить зниження продукції інсуліну в α-клітинах острівкового (інсулярного) апарату підшлункової залози або нездатність відповідних клітинних рецепторів реагувати на інсулін.

Відповідно до зазначеного розрізняють:

інсулінозалежний цукровий діабет (ІЗЦД), який розвивається внаслідок руйнування значної кількості (звичайно більше 90 %) секретуючих інсулін α‑клітин. Причиною деструкції α-клітин є генетично зумовлений автоімунний процес. ІЗЦД складає 10-15 % всіх випадків цукрового діабету і проявляється гіперглікемією та схильністю до кетонемії та кетоацидозу. Ця форма цукрового діабету розвивається звичайно в ранньому віці (до 30 років), найчастіше у дітей та підлітків;

інсулінонезалежний цукровий діабет (ІНЗЦД) – форма цукрового діабету, за якого у більшості хворих зберігаються â-клітини в інсулярній частині підшлункової залози, але порушені специфічні реакції клітин на дію інсуліну або регуляція його секреції під впливом збільшеної концентрації глюкози крові. ІНЗЦД розвивається звичайно у дорослих (старше 30 років) та осіб похилоговіку і проявляється гіперглікемією та ожирінням.

При діагностиці цукрового діабету кров для аналізу краще брати після голодування протягом хоча б 10 год. Концентрація глюкози в плазмі крові, взятої натщесерце, вища за 8 ммоль/л, свідчить про вірогідність цукрового діабету. З метою оцінки рівня глюкози в крові використовують глюкометри – індивідуальні прилади для визначення рівня цукру у крові  в амбулаторних умовах (рис. 15). Глюкометри випускають різноманітні фірми, проте їх принцип дії  однаковий.

Рис. 15. Визначення рівня цукру в крові за допомогою глюкометра у хворих на цукровий діабет

 

За допомогою одноразових голочок пацієнт проколює собі палець, краплю крові поміщає на тест-смужку, чекає кілька секунд і поміщає її у глюкометр, незабаром на екрані висвітлюються показники глікемії. Глюкометр незамінний для людей, які страждають на цукровий діабет, яким необхідно регулярно проводити діагностичні дослідження і, звичайно, робити це вдома набагато комфортніше, ніж стояти в чергах у поліклініці, щоб один раз на тиждень вимірювати рівень цукру в крові. Завдяки глюкометру можна дізнатися, як змінюється рівень цукру протягом всього дня і за різних обставин.

Якщо концентрація глюкози знаходиться в межах 6‑8 ммоль/л, то досліджують кров після цукрового навантаження (дають випити 75 г глюкози, розчиненої у воді). Концентрація через 2 год після навантаження 10 ммоль/л і вище вказує на цукровий діабет, а концентрація від 8 до 10 ммоль/л – на знижену толерантність до глюкози. У частини осіб із порушеною толерантністю до глюкози можливий розвиток діабету.

 

Клінічні ознаки діабету

 

У клінічній картині діабету прийнято розрізняти дві групи симптомів: основні та другорядні (рис. 16).

До основних симптомів належать:

1.                Поліурія – посилене виділення сечі, внаслідок підвищеного осмотичного тиску сечі за рахунок розчиненої в ній глюкози (в нормі глюкоза в сечі відсутня). Проявляється частим рясним сечовипусканням, в тому числі і в нічний час.

2.                Полідипсія (постійна невгамовна жага) – обумовлена значними втратами води із сечею та підвищенням осмотичного тиску крові.

3.                Поліфагія – постійний невгамовний голод. Цей симптом викликаний порушенням обміну речовин при діабеті, а саме нездатністю клітин поглинати і переробляти глюкозу за відсутності інсуліну.

4.                Схуднення (особливо характерно для діабету першого типу) – частий симптом діабету, який розвивається незважаючи на підвищений апетит хворих. Схуднення (і навіть виснаження) обумовлено підвищеним катаболізмом білків та жирів через виключенням глюкози з енергетичного обміну клітин.

 

 

Рис. 16. Деякі симптоми цукрового діабету

Основні симптоми найхарактерніші для діабету 1-го типу. Вони розвиваються гостро. Пацієнти, як правило, можуть точно назвати дату або період їх появи.

До вторинних симптомів відносяться малоспецифічні клінічні ознаки, що розвиваються повільно впродовж тривалого часу. Ці симптоми характерні для діабету як 1-го, так і 2-го типу:

·            свербіж шкіри та слизових оболонок (вагінальний свербіж),

·            сухість у роті,

·            загальна м’язова слабкість,

·            головний біль,

·            запальні ураження шкіри, що важко піддаються лікуванню,

·            порушення зору,

·            наявність ацетону в сечі при діабеті 1-го типу.

 

Критерії діагностики цукрового діабету

Глікемія натще – рівень глюкози в крові зранку перед сніданком, після попереднього голодування більше 8 годин.

ГТТ (глюкозотолерантний тест) здійснюється для діагностики ранніх стадій цукрового діабету типу 2, порушення толерантності до глюкози, асимптоматичних порушень вуглеводного обміну. При цьому глікемія визначається до і через 2 години після перорального навантаження глюкозою (для дорослих – 75 г глюкози, розчиненої в 300 мл води; для дітей – 1,75 глюкози на 1 кг маси тіла, але не більше 75 г; випити впродовж 3-5 хвилин).

Критерії оцінки цукрової кривої в нормі: максимальний рівень цукру через 30-60 хв не повинен перевищувати вихідний більше ніж на 50-80 %, через 120 хв рівень цукру має зменшитись до вихідного, чи навіть нижче (рис. 17), ніколи не буває глюкозурії.

З епідеміологічною метою чи для скринінгу достатньо одного визначення рівня глюкози натще або через 2 год після цукрового навантаження при ГТТ. Діагноз цукрового діабету завжди повинен бути підтверджений повторним тестуванням в подальші дні, в умовах клінічної лабораторії, за винятком безсумнівної гіперглікемії з вираженою декомпенсацією вуглеводного обміну або наявністю клінічних симптомів.

 Норма (за рівнем глюкози капілярної крові):

 натще –  від 3,3 до5,5 ммоль/л;

 через 2 години після ГТТ – менше 7,8 ммоль/л.

 Порушена глікемія натще: 

натще – від 5,6 до 6, 1 ммоль/л;

 через 2 години після ГТТ – менше 7,8 ммоль/л.

 Порушена толерантність до глюкози:

 натще – менше 6,1 ммоль/л;

 через 2 години після ГТТ – 7,8 – 11,1 ммоль/л.

 Цукровий діабет:

 натще – більше 6,1 ммоль/л;

 через 2 години після ГТТ – більше 11,1 ммоль/л.

Рис. 17. Типи цукрових кривих:

А – цукровий діабет; В – гіпертиреоз; С – норма; D – хвороба Аддісона або гіпотиреоз, або гіперінсулінемія.

 

Клініко-діагностичне значення. Метод цукрового навантаження дозволяє виявити приховані форми діабету, порушення глікогенутворюючої функції печінки та вплив інсуліну на вуглеводний обмін. При цукровому діабеті, акромегалії, гіпертиреозі, гепатиті, цирозі печінки спостерігають різке збільшення цукру в крові (до 22 ммоль/л) і сповільнене його зниження.

Крім зазначеного методу з одноразовим введенням пацієнту глюкози, икористовують також «подвійні цукрові навантаження» (проба Штауба-Трауготта).

http://www.youtube.com/watch?NR=1&v=iz8dlE4PjIQ

У хворих на цукровий діабет глюкоза може виділятись із сечею, зокрема після споживання їжі, при тяжких формах хвороби і під час голодування. Саме глюкозурія послужила основою для назви захворювання.

У сечі здорових людей концентрація глюкози дуже низька, менша 0,8 ммоль/л (150 мг/л), оскільки клітини проксимальних відділів ниркових канальців майже повністю реабсорбують глюкозу з первинної сечі. Такий низький рівень глюкози в сечі виявляється лише високочутливими методами. Коли концентрація глюкози в плазмі крові й клубочковому фільтраті перевищує 10 ммоль/л, реабсорбційна здатність ниркових канальців стає недостатньою і певна кількість глюкози виділяється із сечею. Гіперглікемічна глюкозурія спостерігається не тільки при цукровому діабеті, а й при всіх захворюваннях, які супроводжуються рівнем гіперглікемії, вищим за нирковий поріг. Але в ряді випадків глюкозурія не розвивається, хоч вміст глюкози в плазмі крові перевищує нирковий поріг. Це спостерігається тоді, коли об’єм клубочкового фільтрату малий, загальна кількість глюкози, що надходить у ниркові канальці, низька і повністю реабсорбується.

Глюкозурія може бути і за нормальної чи дещо підвищеної концентрації глюкози в плазмі крові, якщо виникає дефект мембрано­транспортного механізму в канальцях (ниркова глюкозурія). У даному випадку нирковий поріг знижений. Ниркова глюкозурія спостерігається іноді при вагітності, спадковій недостатності проксимальних відділів ниркових канальців, дії на клітини проксимальних канальців токсичних речовин (важких металів, органічних розчинників тощо)

Гіпоглікемія виникає при таких патологічних станах:

1) надмірно високому вмісті інсуліну внаслідок пухлин чи гіперплазії клітин острівців підшлункової залози;

2) гіпофункції надниркових залоз;

3) гіпофункції гіпофіза;

4) багатьох типах злоякісних пухлин, локалізованих поза підшлунковою залозою;

5) тяжких ураженнях печінки, нервової системи, шлунка і кишечника;

6) у ранньому дитячому віці при спадкових порушеннях обміну вуглеводів – галактоземії, непереносимості фруктози, деяких типах глікогенозів.

Крім того, гіпоглікемію можуть спричиняти деякі ліки, споживання значної кількості алкоголю. Найпоширенішими в клінічній практиці є гіпо­глікемії, викликані надмірним введенням інсуліну хворим на цукровий діабет, а також прийомом ряду інших лікарських середників. Гіпоглікемію, зумовлену надмірним введенням інсуліну чи високою продукцією ендогенного інсуліну, діагностують шляхом визначення вмісту інсуліну. Симптоми гіпоглікемії розвиваються, коли концентрація глюкози в плазмі крові стає нижчою 2,5 ммоль/л (45 мг/дл). Спостерігаються запаморочення, корчі та інші неврологічні порушення аж до гіпоглікемічної коми. Прояви посилюються при значному фізичному навантаженні чи при тривалих перервах між споживанням їжі.

 

ГЛІКОПРОТЕЇНИ

Глікопротеїни – це складні білки, які містять олігосахаридні ланцюги, ковалентно приєднані до поліпептиду. Вони поширені в організмі людини і виконують різноманітні функції. Зокрема, більшість білків плазматичної мембрани клітин є глікопротеїнами і беруть участь у процесах біологічного розпізнавання і міжклітинної взаємодії. Серед позаклітинних білків глікопротеїнами є майже всі білки плазми крові, за винятком альбумінів, із різноманітними функціями (гормони, транспортні білки, ферменти, інгібітори ферментів, фактори згортання крові, імуноглобуліни), білки міжклітинного матриксу, муцини шлунково-кишкового тракту, внутрішній фактор Кастла, який забезпечує перене­сення вітаміну В12 у клітини кишечника.

Функції вуглеводних компонентів глікопротеїнів

Вуглеводні частини глікопротеїнів виконують різні функції:

1. Змінюють такі фізико-хімічні властивості білків, як розчинність і в’язкість розчинів, заряд, маса і розміри.

2. У деяких глікопротеїнах вуглеводи необхідні для набуття білком правильної просторової структури, стабілізують її.

3. Часто вуглеводна частина захищає білок від протеолізу – розщеплення під дією протеолітичних ферментів усередині клітин і в позаклітинному просторі. Наприклад, стійкість внутрішнього фактора Кастла до розщеплення протеїназами шлунка і кишечника втрачається при видаленні вуглеводної частини.

4. Беруть безпосередню участь у біологічній активності деяких глікопротеїнів, наприклад, гіпофізарних гонадотропних гормонів і хоріонічного гонадотропіну.

5.  Є маркерами в процесах біологічного розпізнавання на рівнях клітина-клітина, клітина-вірус, клітина-молекула, органела-молекула, молекула-молекула. В основі розпізнавання лежить зв’язування комплементарних ділянок певних білків і олігосахаридних частин глікопротеїнів чи гліколіпідів. Вуглеводна частина глікопротеїнів і гліколіпідів плазматичної мембрани знаходиться на зовнішній поверхні мембрани й утворює рецепторну ділянку, з якою специфічно зв’язуються певні білки. Глікопротеїни крові своїми вуглеводними компонентами зв’язуються із специфічними білками-рецепторами плазматичних мембран клітин. Із порушеннями процесів біологічного розпізнавання зв’язано багато захворювань. Розглянемо маркерну функцію вуглеводів детальніше.

Вуглеводні компоненти глікопротеїнів поверхні клітин відіграють важливу роль у таких процесах розпізнавання, які регулюють ріст і диференціацію клітин, беруть участь у гістогенезі й органогенезі, клітин­ному імунітеті, зокрема у відторгненні тканин при трансплантації. Пору­шення процесу розпізнавання, зумовлені змінами в структурі глікопро­теїнів і гліколіпідів, можуть призвести до патологічних явищ, зокрема до злоякісного переродження, метастазування ракових клітин. Антигени груп крові також є глікопротеїнами чи гліколіпідами. їх антигенна специфічність визначається олігосахаридними структурами.

Вуглеводи мембран разом із білками утворюють рецепторні ділянки, до яких приєднуються гормони і медіатори, токсини, віруси і мікроорганізми, лікарські речовини. Так, вірус грипу зв’язується із залишками сіалової кислоти рецепторного глікопротеїну на поверхні клітин. Залишки олігоманози поверхневих глікопротеїнів виконують роль рецепторів для кишкової палочки і споріднених бактерій. Холерний токсин взаємодіє з олігосахаридним компонентом гангліозиду Gml. Етап розпізнавання і зв’язування необхідний для ініціації інфекцій. Олігосахаридні структури служать місцем приєднання до макрофагів деяких бактерій і, таким чином, відіграють важливу роль у фагоцитозі.

Від олігосахаридного ланцюга глікопротеїнів плазми крові залежить тривалість їх існування в крові, тобто швидкість оновлення. Так, ряд глікопротеїнів плазми, серед яких виділяють церулоплазмін, містить на кінцях олігосахаридних ланцюгів сіалову кислоту, а перед нею галактозу. Ці глікопротеїни захоплюються з крові печінкою і розщеплюються в гепатоцитах під дією ферментів лізосом. При цьому білок-рецептор гепатоцитів розпізнає і зв’язує глікопротеїн, якщо останнім вуглеводом в олігосахаридному ланцюгу є галактоза, тобто після відщеплення сіалової кислоти. Тривалість життя в кровоносному руслі церулоплазміну без сіалової кислоти (асіалоцерулоплазміну) складає декілька хвилин, тоді як інтактного білка – години. Якщо ж від асіалоглікопротеїну відщепити залишок галактози, то час життя його в крові збільшиться. При цирозі печінки чи гепатиті здатність гепатоцитів захоплювати асіалоглікопротеїни плазми крові порушується і концентрація їх у крові зростає.

Деякі рецептори гепатоцитів та клітин інших органів розпізнають і захоплюють глікопротеїни, які несуть на олігосахаридному кінці фукозу, манозу, N-ацетилглюкозамін. Приєднуючи олігосахариди до простих білків чи змінюючи залишки моносахаридів у глікопротеїнах, можна контролювати час існування білків у системі циркуляції, надходження їх у певні органи. Цей принцип використовується в розробці способів точної доставки ліків до певних органів, ферментної терапії деяких спадкових хвороб.

Захоплення еритроцитів клітинами селезінки зростає при відщеп­ленні від олігосахаридних ланцюгів мембрани еритроцитів кінцевих залишків сіалової кислоти. Можливо, таким способом селезінка руй­нує старі еритроцити.

Наявність чи відсутність на кінці олігосахаридних ланцюгів глікопротеїнів певних вуглеводів служить сигналом, який визначає, чи новосинте-зований білок виведеться з клітини, чи включиться в мембрани клітини, чи потрапить в органели. Наприклад для лізосомних ферментів сигналом, який визначає надходження їх у лізосоми, служить манозо-6-фос-фат. У хворих на І-клітинну хворобу внаслідок спадкового дефекту ферменту, який каталізує утворення манозо-6-фосфату, лізосомні ферменти не потрапляють у лізосоми, а виводяться з клітини і надходять у кров. У результаті в клітині накопичується велика кількість нерозщеплених молекул різних класів.

Структура глікопротеїнів

Вуглеводні компоненти глікопротеїнів виконують різноманітні, розглянуті вище, функції завдяки їх структурі, яка несе великий обсяг біологічної інформації. До складу вуглеводної частини глікопротеїнів може входити до 10 різних моносахаридів: D-галактоза, D-глюкоза, D-маноза, L‑фукоза, D-ксилоза, N-ацетилглюкозамін і N-ацетилгалактозамін, N‑ацетилнейрамінова (сіалова) кислота (рис. 18). Остання надає молекулам глікопротеїнів негативний заряд. Олігосахаридш ланцюги містять від 2-3 до 15-20 моносахаридних компонентів і мають лінійну або, частіше, розга­лужену форму (рис. 19).

Індивідуальність олігосахаридів визначається:

1) складом моносахаридів;

2) послідовністю їх у ланцюгу;

3) конформацією їх (a чи b);

4) типом глікозидних зв’язків між моносахаридами;

5) типом зв’язку олігосахариду з білком.

В олігосахаридах знайдена велика кількість типів глікозидних зв’язків (наприклад, a1®1, a1®2, a1®3, b1®2 тощо).

Рис. 18. Моносахариди і їх похідні – компоненти глікопротеїнів.

 

Завдяки цьому 3 різні моносахариди можуть з’єднуватися з утворенням більше 1000 різних трисахаридів. А наявність розгалужень олігосахаридного ланцюга додатково збільшує кількість варіантів. Таким чином, олігосахаридні компоненти глікопротеїнів і гліколіпідів несуть величезну інформацію, значно більшу, ніж поліпептиди чи полінуклеотиди. Зазначимо, що вуглеводна частина одного і того ж глікопротеїну в організмі може проявляти структурну гетерогенність.

Кількість олігосахаридних ланцюгів, приєднаних до однієї молекули білка, коливається від одного (як у трансферти, рибонуклеазі) до декількох сотень (у муцинах слини, групових речовинах крові). Відповідно, на долю вуглеводного компонента в глікопротеїнах припадає від 1-3 % маси молекули до 80-90 %. Олігосахариди приєднуються до полі-пептидного ланцюга білка О-глікозидним або N-глікозидним зв’язком. Перший утворюється з гідроксилами залишків серину, треоніну чи оксилізину, а другий – з амідною групою аспарагіну (рис. 19). О-глікозидні олігосахаридні ланцюги більш різноманітні, ніж N-гліко-зидні. Останні містять спільний пентасахарид із 2-х N-ацетилглюко-замінів і 3-х маноз, до якого приєднані різні додаткові моносахариди. У деяких глікопротеїнах наявні як N-зв’язані, так і О-зв’язані олігосахариди.

Рис. 19.  Структура деяких олігосахаридів у глікопротеїнах:

Гал – галактоза; Ман – маноза; Фук – фукоза; ГлюNАц – N-ацетилглюкозамін; ГалNАц – Nацетилгалактозамін; НейNАц – N-ацетилнейрамінова кислота.

 

Синтез вуглеводних компонентів глікопротеїнів

Вихідною речовиною для синтезу всіх вуглеводів, які зустрічаються в глікопротешах, служить глюкоза. Донор аміногрупи для амі-ноцукрів – глутамін. Для синтезу N-ацетилнейрамінової кислоти використовується фосфоенолпіруват – проміжний продукт гліколізу. Як показано на схемі, утворюються сполуки моносахаридів із нуклеотидами, які є субстратами в процесі синтезу олігосахаридних ланцюгів глікопротеїнів, аналогічно до того, як УДФ-глюкоза застосовується для синтезу глікогену.

Природа нуклеотиду різна; використовуються УДФ-похідні галактози, глюкози, N-ацетилгалактозаміну і N-ацетилглюкозаміну, ГДФ-похідні манози і фукози, ЦМФ-ГЧ-ацетилнейрамінова кислота. Олігосахаридний ланцюг глікопротеїнів синтезується в результаті послідовної дії глікозилтрансфераз, ферментів із високою субстратною специфічністю і на донора, і на акцептора моносахаридного залишку. Утворення кожного типу глікозидного зв’язку між моносахаридами каталізує відповідна трансфераза. Існують відмінності в синтезі глікопротеїнів з О-глікозидним і N‑глікозидним зв’язками.

Синтез О-зв’язаних глікопротеїнів починається з утворення гліко­зидного зв’язку між першим моносахаридом і гідроксилом серину чи треоніну білкової частини, а далі відбувається нарощування олігосаха-ридного ланцюга за рахунок дії відповідних глікозилтрансфераз. Саме порядок дії ферментів визначає послідовність моносахаридних залишків у ланцюгу. У синтезі N-зв’язаних глікопротеїнів бере участь особливий довголанцюговий ліпід (доліхол), що має приблизно 100 атомів вуглецю. Спочатку на доліхолфосфаті під впливом глікозилтрансфераз утворюється специфічний олігосахаридний ланцюг, який служить по­передником для синтезу всіх N-глікозидних олігосахаридів:

Доліхол — Ф — Ф — (N-ацетилглюкозамін)2 (маноза)9 (глюкоза)3.

Далі олігосахарид переноситься з доліхолфосфату на амідну групу залишку аспарагіну білка. Реакція приєднання олігосахариду відбувається одночасно із синтезом поліпептидного ланцюга білка на рибосомах, зв’язаних із мембранами ендоплазматичного ретикулуму. Після цього від олігосахариду відщеплюються залишки глюкози і декілька маноз, а приєднуються інші моносахариди. Цей процес називається дозріванням (процесингом) олігосахаридних ланцюгів. У N-глікозидних глікопротешах розрізняють багатоманозні олігосахариди й олігосахариди складного типу, в яких до однакового пентасахариду приєднані, відповідно, тільки залиш­ки манози або різноманітні моносахариди. На рис. 19 показані типові приклади олігосахаридів обох груп.

Утворення олігосахаридних ланцюгів О- й N-зв’язаних глікопротеїнів починається в ендоплазматичному ретикулумі, а закінчується в апараті Гольджі, з мембранами яких зв’язані глікозилтрансферази. Синтезовані глікопротеїни упаковуються в апараті Гольджі в гранули (пухирці). Одні з них виводяться з клітини, а інші інтегруються в клітинні мембрани.

 

Розпад глікопротеїнів

В організмі відбувається постійне оновлення глікопротеїнів, як і інших біополімерів. Глікопротеїни крові та інших рідин захоплюються за допомогою рецепторів певними органами і в лізосомах відбувається їх розщеплення. Глікопротеїни клітинних мембран також надходять у лізосоми. Лізосомні глікозидази гідролізують глікозидні зв’язки в олігосахаридах глікопротеїнів і гліколіпідів. Для них характерна висока субстратна специфічність: кожна глікозидаза гідролізує тільки певний тип глікозидних зв’язків. При відсутності чи дефекті якої-небудь глікозидази неповністю розщеплені олігосахариди накопичуються в лізосомах, що зумовлює порушення функцій клітин (лізосомні хвороби накопичення). Частіше зустрічаються спадкові порушення розщеплення вуглеводної частини гліколіпідів. Описані відсутність альфа-фукозидази й альфа-манозидази з накопиченням фрагментів глікопротеїнів.

 

 

Источник: http://intranet.tdmu.edu.ua/data/kafedra/internal/...

Пролапс митрального клапана литература

Пролапс митрального клапана литература

Комментарии

Имя:*
E-Mail:
Введите код: *
Может ли головная боль отдавать на зубы