5. Уровень глюкозы в крови и его регуляція

Концентрация глюкозы в крови взрослого человека в норме поддерживается в пределах 4,4--6,0 ммоль л-1, или 80--120мг% (в 100 мл крови) несмотря на значительные изменения ее потребления и поступления в течение дня (рис. 4). Постоянный уровень глюкозы в крови регулируется прежде всего печенью, которая может поглощать или выделять глюкозу в кровь в зависимости от ее концентрации в крови и в ответ на воздействие гормонов. Повышение глюкозы в крови после приема углеводной пищи активирует ферментативный процесс синтеза гликогена в печени, а понижение ее уровня усиливает распад гликогена в печени до глюкозы с последующим выделением ее в кровь.

Важную роль в регуляции постоянного содержания глюкозы в крови играют гормоны, главным образом инсулин и глюкагон, проявляющие взаимопротивоположное действие. Инсулин усиленно секретируется поджелудочной железой при повышении глюкозы в крови после приема пищи и стимулирует поступление глюкозы в скелетные мышцы, печень и жировую ткань, что активирует синтез гликогена или жира (в жировой ткани). Глюкагон усиленно выделяется при снижении глюкозы в крови и запускает процесс расщепления (мобилизации) гликогена в печени, выделение глюкозы в кровь. При уменьшении концентрации глюкозы в крови скелетные мышцы и печень в качестве источника энергии начинают использовать жирные кислоты. Это также вносит свой вклад в поддержание определенной концентрации глюкозы в крови.

Рис.4. Схема регуляции уровня глюкозы в крови

При значительном поступлении углеводов с пищей или интенсивном распаде гликогена в печени уровень глюкозы в крови может превышать верхнюю границу нормы и достигать 10 ммоль * л-1 и более, что характеризуется как состояние гипергликемии. Гипергликемия может возникать и при снижении использования глюкозы тканями, что наблюдается при тяжелом заболевании -- сахарном диабете. Связано это заболевание со снижением выработки гормона инсулина в поджелудочной железе (гипофункция), который усиливает проникновение глюкозы в ткани, либо с потерей чувствительности инсулиновых рецепторов к гормону. Временное повышение глюкозы в крови сразу после приема пищи, насыщенной углеводами, называется алиментарной, или пищевой гипергликемией. Через 2--3 ч после приема пищи содержание глюкозы в крови нормализуется. Состояние гипергликемии может наблюдаться у некоторых спортсменов перед стартом: оно улучшает выполнение кратковременных физических нагрузок, но ухудшает выполнение длительной работы. Повышение концентрации глюкозы в крови до 8,8--10 ммоль * л-1 (почечный барьер для глюкозы) приводит к появлению ее в моче. Такое состояние называется глюкозурией.

Снижение уровня глюкозы в крови до 3 ммоль л-1 и ниже (гипогликемия) наблюдается очень редко, так как организм способен синтезировать глюкозу из аминокислот и жиров в процессе глюконеогенеза. Гипогликемия может возникнуть при истощении запасов гликогена в печени в результате напряженной длительной физической работы, например при марафонском беге, или длительном голодании. Снижение концентрации глюкозы в крови до 2 ммоль л-1 вызывает нарушение деятельности мозга, эритроцитов, почек, для которых глюкоза является главным энергетическим субстратом. При этом возможна потеря сознания -- гипогликемический шок или даже смерть. Для предотвращения такого состояния в практике спорта используется дополнительное углеводное питание во время длительной физической работы.

Глюкоза крови в большей степени (около 70 %) используется тканями как энергетический источник и в меньшей степени (30 %) - для пластических процессов. Более 5 % поступившей с пищей глюкозы депонируется печенью в процессе синтеза гликогена. При малоподвижном образе жизни и значительном потреблении углеводов с пищей до 40% глюкозы превращается в жиры, в том числе в холестерин. Около 90% глюкозы крови потребляет мозг, где глюкоза служит основным энергетическим субстратом. При мышечной деятельности, особенно при длительной работе, ее больше используют скелетные мышцы, в которых запас углеводных ресурсов истощается.

6. Внутриклеточный обмен углеводов

Внутриклеточный обмен углеводов включает процессы синтеза и распада гликогена в скелетных мышцах и печени, распад и окисление глюкозы с высвобождением энергии и новообразование глюкозы из веществ неуглеводной природы.

Биосинтез гликогена -- депонирование углеводов

Избыточное количество глюкозы, поступившей с кровью, откладывается про запас главным образом в печени и скелетных мышцах. Синтез и накопление гликогена называется депонированием углеводов. Гликоген является основным углеводным энергетическим резервом организма. От запасов его в скелетных мышцах и печени зависит длительность выполнения мышечной работы, поэтому в практике спорта используются специальные методы накопления гликогена в тканях.

Синтез гликогена из молекул глюкозы осуществляется с помощью гликогенсинтетазы и уридинтрифосфата (УТФ) как источника энергии. Этому процессу предшествует несколько реакций превращения глюкозы, представленных на рис. 5. Глюкоза с участием фермента гексокиназы и АТФ превращается в глюкозо-6-фосфат, который под воздействием фермента фосфоглюкомутазы переходит в глюкозо-1 -фосфат. Из глюкозо-1 -фосфата с участием УТФ образуется активная форма УДФ-глюкозы, которая под воздействием фермента гликогенсинтетазы присоединяется к последнему остатку гликогена:

Гликогенсинтетаза

(C6H10O5)n + УДФ-глюкоза -------------(Сбн10О5)п+1 + УДФ

Гликоген

Рис.5. Схема биосинтеза гликогена

Таким образом молекула гликогена увеличивается на один остаток глюкозы. Синтез гликогена с участием гликогенсинтетазы возможен только при наличии небольшого количества гликогена -- так называемой затравки. С удлинением молекулы гликогена активность фермента увеличивается. Ветвление ее осуществляется ферментом трансгликогеназой.

Синтез гликогена требует затрат энергии АТФ, УТФ и пирофосфата. При удлинении молекулы гликогена только на один остаток глюкозы используется 41 кДж энергии. Поэтому этот процесс в тканях интенсивно протекает в аэробных условиях за счет АТФ, образующейся путем окислительного фосфорилирования. В печени он накапливается при усиленном питании, а в мышцах -- после истощения его запасов, например после длительной физической нагрузки. Наибольшая скорость синтеза гликогена наблюдается в период отдыха на 30--40-й минуте после приема углеводной пищи. Это необходимо учитывать при построении режима питания во время соревнований, с тем чтобы усилившийся процесс синтеза не затормозил использование гликогена при мышечной деятельности.

Усиливается синтез гликогена под воздействием гормона поджелудочной железы -- инсулина, который регулирует поступление глюкозы в ткани, а ингибируется адреналином, так как он угнетает активность фермента гликогенсинтетазы. Уровень гликогена в печени и других тканях может увеличиваться только до определенного предела, поскольку высокие концентрации его в тканях угнетают активность гликогенсинтетазы.

Распад гликогена -- мобилизация углеводов

Процесс распада гликогена до молекул глюкозы называется мобилизацией углеводов. Расщепление гликогена происходит в основном путем фосфоролиза с участием фермента гликогенфосфорилазы и фосфорной кислоты (Н3РО4). От гликогена отщепляется молекула глюкозы в виде глюкозо-1 -фосфата:

(С6Н10О5)n + Н3РО4 Фосфорилаза глюкозо-1-фосфат + (С6Н10О5)n-1

Гликоген

Образовавшийся глюкозо-1-фосфат быстро превращается в глюкозо-6-фосфат. В печени он расщепляется ферментами фосфатазами на свободную глюкозу и фосфорную кислоту. Молекулы свободной глюкозы легко поступают в кровь и используются многими тканями организма как энергетический субстрат. В скелетных мышцах такие фосфатазы отсутствуют, поэтому гликоген в них используется только для собственных нужд.

Скорость распада гликогена в мышцах зависит от их функциональной активности, а в печени -- от уровня глюкозы в крови. При мышечной деятельности скорость мобилизации гликогена в печени зависит от интенсивности выполняемой нагрузки: при умеренной работе она возрастает в 2--3 раза, а при интенсивной -- в 7--10 раз по сравнению с состоянием покоя.

Распад гликогена в печени продолжается и в период отдыха. Образующаяся глюкоза способствует восстановлению запасов гликогена в сердечной и скелетной мышцах, т. е. происходит перераспределение углеводов между отдельными тканями.

Гликолиз

Извлечение метаболической энергии из углеводов происходит почти во всех клетках организма человека и включает две основные фазы -- бескислородное (анаэробное) окисление, которое протекает в цитозоле преимущественно скелетных мышц и называется гликолизом, и кислородное (аэробное) окисление, протекающее в митохондриях на ферментах цикла лимонной кислоты и дыхательной цепи.

Гликолиз -- это постепенный распад молекулы глюкозы или гликогена (гликогенолиз) до двух молекул пировиноградной кислоты, которая в анаэробных условиях превращается в молочную кислоту. Он включает десять химических реакций. Этот процесс можно разделить на две основные стадии -- подготовительную и окислительную. В подготовительной стадии молекула глюкозы постепенно распадается до двух молекул 3-фосфоглицеринового альдегида, при этом используется две молекулы АТФ. В окислительной стадии происходит дальнейшее их окисление с образованием пирувата и четырех молекул АТФ. Начинается гликолиз с активации молекулы глюкозы в присутствии АТФ с образованием глюкозо-6-фосфата или фосфоролиза гликогена с отщеплением глюкозо-1-фосфата. Реакция фосфорилирования глюкозы катализируется ферментом гексокиназой и требует наличия ионов Мg2+. Гексокиназа -- это регуляторный аллостерический фермент, активность которого зависит от содержания АТФ в клетке. При низкой концентрации АТФ фермент активен, а при высокой ее концентрации -- не активен и процесс гликолиза «выключается», так как энергия в данный момент не используется. Далее глюкозо-6-фосфат превращается в фруктозо-6-фосфат с участием фермента глюкозофосфатизомеразы. Фруктозо-6-фосфат фосфорилируется с использованием энергии АТФ, в результате чего образуется фруктозо-1,6-дифосфат. Реакция катализируется ферментом фосфофруктокиназой (ФФК).

Фосфофруктокиназа является ключевым аллостерическим ферментом, регулирующим скорость гликолиза. Его активность зависит от концентрации АТФ и других метаболитов (молочной кислоты, цитрата), которые влияют на его активность. Так, в мышцах в состоянии покоя концентрация АТФ относительно высокая и процесс гликолиза не активен. Во время работы мышцы интенсивно расходуется АТФ, что повышает активность ФФК и приводит к усилению гликолиза. Однако накопление молочной кислоты -- конечного продукта анаэробного гликолиза -- ингибирует этот фермент и скорость гликолиза.

Первый этап гликолиза завершает реакция расщепления фруктозо-1,6-дифосфата на две триозы -- фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиацетон под воздействием фермента альдолазы. Образовавшиеся триозы являются изомерами и способны взаимопревращаться. В последующие реакции гликолиза вступают две модели 3-фосфоглицеринового альдегида.

Окислительная стадия начинается с окисления 3-фосфоглицеринового альдегида при участии дегидрогеназы, содержащей кофермент НАД, и фосфорной кислоты. Кофермент НАД в этой реакции присоединяет водород и превращается в НАДН2. В аэробных условиях НАДН2 может передать водород на кислород с образованием ЗАТФ. Образовавшаяся 1,3-дифосфоглицериновая кислота содержит макроэргетическую связь и способна вступить в реакцию перефосфорилирования с АДФ, ведущую к образованию АТФ и 3-фосфоглицериновой кислоты. Такой процесс образования АТФ называется субстратным фосфорилированием. Он катализируется ферментом фосфоглицераткиназой.

3-Фосфоглицериновая кислота под влиянием фермента фосфоглицеромутазы превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту. Последняя при участии фермента энолазы теряет молекулу воды и превращается в фосфоэнолпировиноградную кислоту. В результате внутримолекулярного окислительно-восстановительного процесса у второго углеродного атома этой кислоты образуется макроэргическая связь, при разрыве которой с участием фермента пируваткиназы происходит перенос фосфорного остатка от фосфоэнолпировиноградной кислоты на АДФ (второе субстратное фосфорилирование), а также образование двух молекул пировиноградной кислоты и двух молекул АТФ.

Гликолиз в анаэробных условиях завершается реакцией восстановления пировиноградной кислоты до молочной под воздействием фермента лактатдегидрогеназы. Источником водорода служат молекулы НАДН2, образующиеся при окислении 3-фосфоглицеринового альдегида. Таким образом, конечным продуктом анаэробного гликолиза является молочная кислота. В аэробных условиях пировиноградная кислота не превращается в молочную и окисляется далее в цикле лимонной кислоты до конечных продуктов обмена. Суммарное уравнение процесса гликолиза можно представить в виде

С6Н12О6 + 2АТФ + 2АДФ + 2Н3РО4 + 2НАД --- 2С3Н6О3 + 4АТФ +.2НАДН2 + 2Н2О

?Q0 = -196 кДж * моль-1

61 кДж аккумули- 135 кДж рассеивается в АТФ виде тепла

В процессе гликолиза постепенно высвобождается 196 кДж энергии. Большая часть ее рассеивается в виде тепла (135 кДж), а меньшая -- накапливается в макроэргических связях двух молекул АТФ. Эффективность запасания энергии в форме АТФ при гликолизе составляет 40%. Основная часть энергии, аккумулированной в молекуле глюкозы (2880 кДж), остается в продукте гликолиза -- двух молекулах молочной кислоты и может высвобождаться только при их аэробном окислении. В гликолизе образуются многие вещества, необходимые для пластических процессов в клетках. Особенно много при этом накапливается молочной кислоты, которая быстро диффундирует из скелетных мышц в кровь и влияет на кислотно-основное состояние организма. Уровень молочной кислоты в крови только до некоторой степени отражает интенсивность гликолиза в мышцах, поскольку кислота частично метаболизирует в них. В норме концентрация молочной кислоты в крови находится в пределах 1-- 1,5 ммоль * л-1.

Страницы: 1, 2, 3, 4