1.Классіфікація та біологічна роль вуглеводів

 Вуглеводи становлять незначну частину загального сухого ваги тканин людського організму - не більше 2%, у той час як на білки, наприклад, припадає до 45% сухої маси тіла. Тим не менше, вуглеводи виконують в організмі цілий ряд життєво важливих функції, беручи участь у структурній і метаболічної організації органів і тканин.

З хімічної точки зору вуглеводи представляють собою багатоатомних альдегідів-або кетоноспірти або їх полімери, причому мономірні одиниці в полімерах з'єднані між собою Глікозидний зв'язками.

1.1. Класифікація вуглеводів.

Вуглеводи поділяються на три великі групи: моносахариди та їх похідні, олігосахариди і полісахариди.

1.1.1. Моносахариди в свою чергу діляться, по перше, за характером карбонільної групи на Альдози і Кетози і, по-друге, за числом атомів вуглецю в молекулі на триозы, тетрозы, пентози і т.д. Зазвичай моносахариди мають тривіальні назви: глюкоза, галактоза, рибоза, ксилоза та ін До цієї ж групи сполук відносяться різні похідні моносахаридів, найважливішими з них є фосфорні ефіри моносахаридів [глюкозо-6-фосфат, фруктозо-1 ,6-бісфосфат, рибоза - 5-фосфат та ін], уроновие кислоти [галактуроновая, глюкуронова, ідуроновая и др.], аміносахара

[глюкозамін, галактозамін и др.], сульфатованих похідні уронових кислот, ацетильовані похідні аміносахаров і др.Общее кількість мономерів та їх похідних становить кілька десятків з'єднань, що не поступається наявному в організмі кількості індивідуальних амінокислот.

1.1.2. Олігосахариди, що представляють собою полімери, мономірні одиницями яких є моносахариди або їх похідні. Кількість окремих мономірних блоків у полімері може сягати півтора чи двох/не більше/десятків. Всі мономірні одиниці в полімері пов'язані Глікозидний зв'язками. Олігосахариди в свою чергу діляться на гомоолігосахаріди, що складаються з однакових мономірних блоків [мальтоза], і гетероолігосахаріди - до їх складу входять різні мономірні одиниці [лактоза]. У більшості своїй олігосахариди зустрічаються в організмі як структурних компонентів більш складних молекул - гліколіпіду або глікопротеїдів. У вільному вигляді в організмі людини можуть бути виявлені мальтоза, причому мальтоза є проміжним продуктом розщеплення глікогену, і лактоза, що входить в якості резервного вуглеводу в молоко годуючих жінок. Основну масу олігосахаридів в організмі людини становлять гетероолігосахаріди гліколіпіду і глікопротеїдів. Вони мають надзвичайно різноманітну структуру, обумовлену як різноманітністю що входять до них мономірних одиниць, так і різноманітністю варіантів глікозидних зв'язків між мономерами в олігомеру [a-і b-Глікозидний зв'язку; зв'язку, що з'єднують різні атоми вуглецю в сусідніх мономірних одиницях: a - 1,4 , a - 1,3, a - 1,6 и др.].

1.1.3. Полісахариди, що представляють собою полімери, побудовані з моносахаридів чи їх похідних, з'єднаних між собою ду Глікозидний зв'язками, з числом мономірних одиниць від декількох десятків до декількох десятків тисяч. Ці полісахариди можуть складатися з однакових мономірних одиниць, тобто бути гомополісахарідамі, або ж до їх складу можуть входити різні мономірні одиниці - тоді ми маємо справу з гетерополісахарідамі. Єдиним гомополісахарідом в організмі людини є глікоген, що складається із залишків aD - глюкози. Більш різноманітний набір гетерополісахарідов - в організмі присутні гіалуронова кислота, хондроітінсульфати, кератансульфатів, дерматансульфат, гепарансульфат та гепарин. Кожен з перерахованих гетерополісахарідов складається з індивідуального набору мономірних едініц.Так основними мономірні одиницями гіалуронової кислоти є глюкуронова кислота і N-ацетилглюкозамін, тоді як до складу гепарину входять сульфатованих глюкозамін і сульфатованих ідуроновая кислота.

1.2. Функції вуглеводів різних класів

Функції вуглеводів в організмі різноманітні і, природно, різні для різних класів сполук. Моносахариди та їх похідні виконують, по-перше, енергетичну функцію: окисне розщеплення цих сполук дає організму 55-60% необхідної йому енергіі4. По-друге, проміжні продукти розпаду моносахаридів і їх похідних використовуються в клітинах для синтезу інших необхідних клітині речовин, у тому числі з'єднань інших класів; так, з проміжних продуктів метаболізму глюкози в клітинах можуть синтезуватися ліпіди і замінні амінокислоти, правда, в останньому випадку необхідний додаткове джерело атомів азоту аминогрупп. По-третє, моносахариди та їх похідні виконують структурну функцію, будучи мономірні одиницями дру гих, більш складних молекул, таких як полісахариди або нуклеотиди.

Головною функцією гетероолігосахарідов є структурна функція - вони є структурними компонентами глікопротеїдів і гліколіпіду. У цій якості гетероолігосахаріди беруть участь у реалізації глікопротеїдів цілого ряду функцій: регуляторної [гормони гіпофіза тіротропін і гонадотропіни - глікопротеїди], комунікативної [рецептори клітин - глікопротеїни], захисної [антитіла - глікопротеїни]. Крім того, гетероолігосахарідние блоки, входячи до складу гліколіпіду і глікопротеїдів, беруть участь у формуванні клітинних мембран, утворюючи, наприклад, такий важливий елемент клітинної структури як глікокаллікс.

Глікоген - єдиний гомополісахарід, який є в організмі тварин - виконує резервну функцію. причому він є резервом не тільки енергетичним, але також і резервом пластичного матеріалу. Глікоген в тій або іншій кількості присутній практично у всі клітинах людського організму. Запаси глікогену в печінці можуть становити до 3-5% від сирої маси цього органу [часом до 10%], а його вміст у м'язах - до 1% загальної маси тканини. З огляду на масу цих органів, загальна кількість глікогену в печінці може становити 150 - 200 г, а запаси глікогену в м'язи - до 600 г.

Гетерополісахаріди виконують в організмі структурну функцію - вони входять до складу глізамінопротеогліканов; останні, поряд із структурними білками типу колагену або еластину, формують міжклітинний речовина різних органів і тканин. Глікозамінопротеогглікановие агрегати, маючи сітчасту структуру, виконують функцію молекулярних фільтрів, що перешкоджають або сильно гальмують рух макромолекул в міжклітинної середовищі. Крім того, молекули гетерополісахарідов мають у своїй структурі безліч полярних і несучих негативний заряд угруповань, за рахунок яких вони можуть зв'язувати велику кількість води і катіонів, виконуючи роль своєрідних депо для цих молекул.

Опції деяких вуглеводів, що є в організмі, дуже специфічні. Так, гепарин є природним антикоагулянтом він перешкоджає згортання крові в судинах, а лактоза, про що вже згадувалося, є резервним вуглеводом жіночого молока.

 2. Засвоєння екзогенних вуглеводів

 У звичайних умовах основним джерелом вуглеводів для людини є вуглеводи їжі. Добова потреба у вуглеводах становить приблизно 400 г, причому вкрай бажано. щоб легко засвоюються вуглеводи [глюкоза, сахароза, лактоза та ін] становили не більше 25% їх загальної кількості у харчовому раціоні. У процесі засвоєння їжі всі екзогенні полімери вуглеводної природи розщеплюються до мономерів, що позбавляє ці полімери видовий специфічності, а у внутрішнє середовище організму з кишечнику надходять лише моносахариди та їх похідні; надалі ці мономери використовуються в міру необхідності для синтезу специфічних для людини олігоілі полісахаридів.

Розщеплення крохмалю або глікогену їжі починається вже в ротовій порожнині за рахунок дії на ці гомополісахаріди амілази і мальтази слини, однак цей процес не має істотного значення, оскільки їжа в ротовій порожнині знаходиться дуже короткий час. У шлунку при травленні середу кисла і амілаза слини, що потрапляє в шлунок разом з харчовим грудкою, практично не працює. Основна маса крохмалю і глікогену їжі розщеплюється в тон ком кишці під дією амілази підшлункової залози до дисахаридів мальтози і ізомальтози. Утворилися дисахариди розщеплюються до глюкози за участю ферментів, секретується стінкою кишечнику: мальтази і ізомальтази. Мальтаза каталізує гідроліз a-1 ,4-глікозидних зв'язків, а ізомальтаза - гідроліз a-1 ,6-глікозидних зв'язків.

Що поступила з їжею сахароза розщеплюється в кишечнику до глюкози і фруктози за участю ферменту сахарази, а що надійшла лактоза - до глюкози і галактози під дією ферменту лактази. Обидва цих ферменти секретуються стінкою кишечнику.

Процеси розщеплення гетероолігосахарідов або гетерополісахарідов мало вивчені. Мабуть, стінкою кишечнику секретуються глікозідази, здатні розщеплювати a - і b - Глікозидний зв'язку наявні в цих полімерах.

Всмоктування моносахаридів відбувається в тонкому кишечнику, причому швидкості всмоктування різних моносахаридів істотно різні. Якщо швидкість всмоктування глюкози прийняти за 100, то швидкість всмоктування галактози складе 110, фруктози - 43, маннози 19, ксилози - 15. Прийнято вважати, що всмоктування глюкози і галактози йде за участю механізмів активного транспорту, всмоктування фруктози і рибози - за механізмом полегшеної дифузії, а всмоктування маннози або ксилози за механізмом простої дифузії. Приблизно 90% всмокталася глюкози надходить з ентероцитів безпосередньо в кров, а 10% її виявляється в лімфі, втім, згодом і ця глюкоза також виявляється в крові.

Слід зазначити, що вуглеводи можуть бути повністю виключені з харчового раціону. У цьому випадку всі необхідні для організму вуглеводи будуть синтезуватися в клітинах зі з'єднань неуглевод ний природи в ході процесів, що одержали назву глюконеогенез.

 3. Пул глюкози в організмі, надходження глюкози

в клітини

Переважним в кількісному відношенні моносахаридів, присутнім у внутрішньому середовищі організму, є глюкоза. Її вміст у крові щодо постійно і є однією з констант гомеостазу. Вміст глюкози в крові становить 3,3 - 5,5 мМ/л або 80 - 100 мг/дл. Пул глюкози, тобто загальний зміст вільної глюкози в організмі, становить величину порядку 20 р. З них 5 - 5,5 г міститься в крові, решта глюкоза розподілена в клітинах і міжклітинної рідини. З наведених цифр випливає, що концентрація глюкози в клітинах значно нижче, ніж у крові, що створює умови для надходження глюкози з крові в клітини шляхом простої або полегшеної дифузії.

Пул глюкози в організмі є результат динамічної рівноваги процесів, що забезпечують поповнення цього пулу і процесів, що супроводжуються використанням глюкози з пулу для потреб органів тканин.

Поповнення пулу глюкози йде за рахунок наступних процесів:

а/надходження глюкози з кишечнику;

б/утворення глюкози з інших моносахаридів, наприклад, з галактози або фруктози;

в/розпад резервного глікогену в печінці/глікогенез /;

г/синтез глюкози з неуглеводних з'єднань, тобто глюконеогенез.

Основні напрямки використання глюкози з пулу:

а/окислювальний розпад глюкози/аеробне окислення до СО2 і Н2О, анаеробне окислення до лактату та ін /;

 б/синтез резервного глікогену;

в/синтез ліпідів;

г/синтез інших моносахаридів чи їх похідних;

д/синтез замінних амінокислот;

е/синтез інших азотовмісних сполук, необхідних клітинам.

 Транспорт глюкози з крові або міжклітинної рідини в клітини йде за механізмом полегшеної дифузії, тобто за градієнтом концентрації за участю білка-переносника. Ефективність роботи механізму цього транспорту в клітинах більшості органів і тканин залежить від інсуліну. Інсулін збільшує проникність зовнішніх клітинних мембран для глюкози, збільшуючи кількість білка-переносника за рахунок додаткового його надходження з цитозолі в мембрани. Основна маса клітин різних органів і тканин є в цьому контексті інсулінозалежний, однак принаймні в клітинах трьох типів ефективність переносу глюкози через їх зовнішні мембрани не залежить від інсуліну, це еритроцити, гепатоцити і клітини нервової тканини. Ці тканини отримали назву інсуліннезалежний тканин. але я ще раз хочу підкреслити, що мова йде лише про незалежність транспорту глюкози в ці клітини від інсуліну і ні про що більше. Так, доведено, що і клітини мозку і гепатоцити мають у складі своїх зовнішніх мембран рецептори для інсуліну.

Глюкоза, що надійшла в клітку, піддається в клітці єдиному перетворення - вона фосфорилюється за участю АТФ:

У більшості органів і тканин ферментів, що каталізують цю реакцію, є гексокінази. Цей фермент володіє високою спорідненістю до глюкози і здатний її фосфорілірованний при низьких концентраціях глюкози.В гепатоцитах є ще один фермент - глюкокіназа, який також може каталізувати цю реакцію, але володіючи меншим спорідненістю до глюкози, він працює лише в умовах високих концентрацій глюкози в клітці і зазвичай бере участь лише в процесі синтезу глікогену в печінці. Реакція, що каталізується гексокінази, супроводжується великою втратою вільної енергії [DG = - 5 ккал/моль] і в умовах клітини є незворотною, а глюкозо-6-фосфат являє собою активовану форму глюкози. Суттєвою є та обставина, що зовнішня клітинна мембрана непроникна для гл-6-ф і в результаті фосфорилювання глюкоза як би "замикається" в клітці. З іншого боку, швидке перетворення глюкози в гол-6-ф дозволяє підтримувати вкрай низьку концентрацію глюкози в клітці, зберігаючи тим самим градієнт концентрації глюкози між позаклітинної рідиною і внутрішньоклітинної середовищем.

 4. Синтез і розщеплення глікогену

 При підвищенні концентрації глюкози в крові, наприклад, в результаті її всмоктування в кишечнику при травленні, збільшується надходження глюкози в клітини і принаймні частина цієї глюкози може бути використана для синтезу глікогену. Накопичення резерву вуглеводів в клітинах у вигляді глікогену має певні переваги перед накопиченням глюкози, тому що не супроводжується підвищенням внутрішньоклітинного осмотичного тиску. Разом з тим, при нестачі глюкози глікоген легко розщеплюється до глюкози або її фосфорних ефірів, а що утворилися мономірні одиниці використовуються клітинами з енергетичними або пластичними цілями.

 4.1. Синтез глікогену

 Поступила в клітини глюкоза піддається фосфорилювання за участю ферментів гексокінази або глюкокінази:

 Потім гол-1-ф взаємодіє з урідінтріфосфатам з утворенням УДФ-глюкози за участю ферменту УДФ-глюкозопірофосфорілази [або глюкозо-1-фосфатуріділтрансферази]:

 Пірофосфат відразу розщеплюється на два залишку фосфорної кислоти за участю ферменту пірофосфатази. Ця реакція супроводжується втратою енергії близько 7 ккал/моль, в результаті чого реакція утворення УДФ-глюкози стає незворотною - термодинамічний контроль напрямку процесу.

На наступному етапі залишок глюкози з УДФ-глюкози переноситься на синтезуються молекулу глікогену за участю ферменту глікогенсинтетазу: і молекула глікогену удлінняется на один залишок глюкози. Фермент глікогенсинтетазу здатна приєднати залишок глюкози з УДФглюкози до будується молекулі глікогену тільки шляхом утворення a -1,4-Глікозидний зв'язку. Отже, за участю тільки одного цього ферменту може бути синтезований лише лінійний полімер. Глікоген ж - полімер розгалужений і наявні в молекулі розгалуження формуються за участю іншого ферменту: аміло-1,4 -> 1,6 - глікозілтрансферази. Цей фермент, званий інакше ферментом розгалуження, переносить фрагмент з 5 - 7 мономірних ланок з кінця лінійного ділянки синтезованого полісахариду ближче до його середині, причому цей фрагмент приєднується до полімерного ланцюга за рахунок утворення a - 1,6-Глікозидний зв'язку:

Слід зауважити, що за іншими даними відщеплює фрагмент, що складається мінімум з 6 глюкозних залишків, переноситься на сусідню ланцюжок будується розгалуженого полісахариду. У будь-якому випадку надалі обидві ланцюга удлінняются за рахунок дії глікогенсинтетазу, а нові розгалуження формуються за участю ферменту розгалуження.

Синтез глікогену йде у всіх органах і тканинах, однак найбільший вміст спостерігається в печінці [від 2 до 5-6% загальної маси органу] і в м'язах [до 1% від їх маси]. Включення 1 залишку глюкози в молекулу гол?? Когена супроводжується використанням 2 макроергічних еквівалентів (1 АТФ і 1 УТФ), так що синтез глікогену в клітинах може йти лише при достатній енергозабезпечення клітин.

 4.2. Мобілізація глікогену

 Глікоген, як резерв глюкози, накопичується в клітинах під час травлення і витрачається в постабсорбціонном періоді. Розщеплення глікогену в печінці або його мобілізація здійснюється за участю ферменту глікогенфосфоррілази часто званої просто фосфорілазой. Цей фермент каталізує фосфоролітіческое розщеплення a-1 ,4-глікозидних зв'язків кінцевих залишків глюкози полімеру:

Для розщеплення молекули в районі розгалужень необхідні два додаткових ферменту: так званий дебранчінг (деветвящій) фермент і аміло-1 ,6-глікозідаза, причому в результаті дії останнього ферменту в клітинах утворюється вільна глюкоза, яка може або залишити клітку, і піддатися фосфорилюванню. < p> Гол-1-ф в клітинах ізомерізуется за участю фосфоглюкомутази у гл-6-ф. Подальша доля гол-6-фосфату визначається наявністю або відсутністю в клітинах ферменту глюкозо-6-фосфатази. Якщо фермент присутній у клітці, він каталізує гідролітичні відщеплення від гол-6-фосфату залишку фосфорної кислоти з утворенням вільної глюкози: що може проникати через зовнішню клітинну мембрану і надходити в кров `яне русло. Якщо ж глюкозо-6-фосфатази в клітинах немає, то дефосфорілірованія глюкози не відбувається і глюкозний залишок може бути утилізований тільки даній конкретній клітиною. Зауважимо, що розщеплення глікогену до глюкози не потребує додаткового припливу енергії.

У більшості органів і тканин людини глюкозо-6-фосфатаза відсутній, тому запасені в них глікоген використовується лише для власних потреб. Типовим представником таких тканин є м'язова тканина. Глюкозо-6-фосфатаза є лише в печінці, нирках і кишечнику, але найбільш суттєвим є наявність ферменту в печінці (точніше, у гепатоцитах), тому що цей орган виконує роль своєрідного буфера, що поглинає глюкозу при підвищенні її вмісту в крові і поставляє глюкозу в кров, коли концентрація глюкози в крові починає падати.

 4.3. Регуляція процесів синтезу та розпаду глікогену

 Зіставивши метаболічні шляхи синтезу та мобілізації глікогену, ми побачимо, що вони різні:

 Ця обставина дає можливість роздільно регулювати обговорювані процеси. Регулювання здійснюється на рівні двох ферментів: глікогенсинтетазу, що бере участь у синтезі глікогену, і фосфорілази, що каталізує розщеплення глікогену.

Основним механізмом регуляції активності цих ферментів є їх ковалентний модифікація шляхом фосфорилювання-дефосфорілірованія. Фосорілірованная фосфорілаза або фосфорілаза "a" високоактивних, в той же час фосфорілірованний глікогенсинтетазу або синтетазу "b" неактивна. Таким чином, якщо обидва ферменту знаходяться в фосфорілірованний формі, в клітці йде розщеплення глікогену з утворенням глюкози. У дефосфорілірованном стані, навпаки, неактивна фосфорілаза (у формі "b") і активна глікогенсинтетазу (у формі "a"), в цій ситуації в клітці йде синтез глікогену з глюкози.

Оскільки глікоген печінки дозволяє розширити обсяг глюкози для всього організму, його синтез або розпад повинен контролюватися надклеточнимі регуляторними механізмами, робота яких повинна бути спрямована на підтримання постійної концентрації глюкози в крові. Ці механізми повинні забезпечувати включення синтезу глікогену в гепатоцитах при підвищених концентраціях глюкози в крові і посилювати розщеплення глікогену при падінні вмісту глюкози в крові.

 Отже, первинним сигналом, що стимулює мобілізацію глікогену в печінці, є зниження концентрації глюкози в крові. У відповідь на нього альфа-клітини підшлункової залози викидають у кров свій гормон - глюкагон. Глюкагон, що циркулює в крові, взаємодіє зі своїм білком-рецептором, що знаходиться на зовнішній стороні зовнішньої клітинної мембрани гепатоцита. утворюючи гір мон-рецепторний комплекс. Освіта гормон-рецепторного комплексу призводить за допомогою спеціального механізму до активації ферменту аденілатциклази, що знаходиться на внутрішній поверхні зовнішньої клітинної мембрани. Фермент каталізує освіту в клітині циклічного 3,5-АМФ (цАМФ) з АТФ.

У свою чергу, цАМФ активує в клітці фермент цАМФ-залежної протеїн. Неактивна форма протеїнкінази являє собою олігомер, що складається з чотирьох субодиниць: 2 регуляторних і двох каталітичних. При підвищенні концентрації цАМФ у клітині до кожної з регуляторних субодиниць протеїнкінази приєднується по 2 молекули цАМФ, конформація регуляторних субодиниць змінюється і олігомер розпадається на регуляторні та каталітічес Електричні субодиниці. Вільні каталітичні субодиниці каталізує фосфорилювання в клітці ряду ферментів, у тому числі фосфорилювання глікогенсинтетазу з переведенням її в неактивний стан, виключаючи таким чином синтез глікогену. Одночасно йде Фос форілірованіе кінази фосфорілази, а цей фермент, активуючи при його фосфорилювання, у свою чергу каталізує фосфорилювання фосфорілази з переведенням його в активну форму, тобто в форму "a". У результаті активації фосфорілази включається розщеплення глікогену і гепатоцити починають поставляти глюкозу в кров.

Принагідно зауважимо, що при стимуляції розщеплення глікогену в печінці катехоламінів у якості головних посередників виступають b - рецептори гепатоцитів, що зв'язують адреналін. При цьому відбувається підвищення вмісту іонів Са у клітинах, де вони стимулюють Са/кальмодулінчувствітельную кіназу фосфорілази, яка у свою чергу активує фосфорілазу шляхом її фосфорилювання.

Підвищення концентрації глюкози в крові є зовнішнім сигналом для гепатоцитів щодо стимуляції синтезу глікогену та скріплення таким чином зайвої глюкози з русла крові.

 Спрацьовує наступний механізм: при підвищенні концентрації глюкози в крові зростає і її зміст в гепатоцитах. Підвищення концентрації глюкози в гепатоцитах, у свою чергу, досить складним шляхом активує в них фермент фосфопротеінфосфатазу, яка ка - талізірует відщеплення від фосфорілірованний білків залишків фосфорної кислоти. Дефосфорілірованіе активної фосфорілази переводить її в неактивну форму, а дефосфорілірованіе неактивній глікогенсинтетазу активує фермент. В результаті система переходить в стан, що забезпечують синтез глікогену з глюкози.

У зниженні фосфорілазной активності в гепатоцитах певну роль відіграє гормон b-клітин підшлункової залози інсулін. Він виділяється b-клітинами у відповідь на підвищення вмісту глюкози в крові. Його зв'язування з інсуліновими рецепторами на поверхні гепатоцитів призводить до активації в клітинах печінки ферменту фосфодіестерази, що каталізує перетворення цАМФ у звичайну АМФ, яка не володіє здатність стимулювати утворення активної протеїнкінази. Цим шляхом припиняється напрацювання в гепатоцитах активної фосфорілази, що також має значення для інгібування розщеплення глікогену.

Цілком природно, що механізми регулювання синтезу та розпаду глікогену в клітинах різних органів мають свої особливості. Як приклад можна вказати, що в міоцитах покояться м'язів або м'язів, що виконують невелику по інтенсивності роботу, практично немає фосфорілази "a", але розщеплення глікогену все ж таки йде. Справа в тому, що м'язова фосфорілаза, що знаходиться в дефосфорілірованном стані або у формі "b", є аллостеріческім ферментом і активується наявними в міоцитах АМФ і неорганічних фосфатом. Активована таким чином фосфорілаза "b" забезпечує швидкість мобілізації глікогену, достатню для виконання помірної фізичної роботи.

Проте при виконанні інтенсивної роботи, особливо якщо навантаження різко зростає, цього рівня мобілізації глікогену стає недостатньо. У такому випадку спрацьовують надклеточние механізми регуляції. У відповідь на раптово виникла потреба в інтенсивної м'язової діяльності в кров надходить гормон адреналін з мозкової речовини надниркових залоз. Адреналін, зв'язуючись з рецепторами на поверхні м'язових клітин, викликає відповідну реакцію міоцитів, близьку за своїм механізмом до щойно описаної реакції гепатоцитів на глюкагон. В м'язових клітинах з'являється фосфорілаза "a" і інактивується глікогенсинтетазу, а що утворився гол-6-ф використовується як енергетичне "паливо", окислювальний розпад якого забезпечує енергією м'язову скорочення.

Слід зауважити, що високі концентрації адреналіну, що спостерігаються в крові людей в умовах емоційного стресу, прискорюють розщеплення глікогену в печінці, підвищуючи тим самим вміст глюкози в крові - захисна реакція, спрямована на екстрену мобілізація енергетичних ресурсів.

 2.1. Окислювальні шляху розпаду вуглеводів в тканинах

Найважливішими функціями моносахаридів в організмі є енергетична і пластична; обидві ці функції реалізуються в ході окисного розпаду моносахаридів в клітинах. При окисленні вуглеводів виділяється 4,1 ккал/г (близько 17 кДж/г) вільної енергії і за рахунок окислення вуглеводів людина покриває 55-60% своїх загальних енерговитрат. У ході окислення вуглеводів утворюється велика кількість проміжних продуктів розпаду, які використовуються для синтезу ліпідів, замінних амінокислот та ін необхідних клітинам з'єднань. Крім того, при окисленні вуглеводів у клітинах йде генерація відновних потенціалів, які в подальшому використовуються ними у відновних реакціях біосинтезу, у процесах детоксикації, для контролю рівня перекисного окислення ліпідів та ін

Головним моносахаридів, що піддаються окислювальним перетворенням в клітинах, є глюкоза, оскільки саме вона в найбільших кількостях надходить з кишечника у внутрішнє середовище організму, саме вона синтезується при глюконеогенезі або утворюється у вільному вигляді або ж у вигляді фосфорних ефірів при розщепленні глікогену. Роль інших моносахаридів менш значна, так як їх кількість, що надходить в клітини в кількісному відношенні сильно варіює залежно від складу їжі.

Відомо кілька метаболічних шляхів окислення глюкози, головними з яких є:

а) аеробне розщеплення до вуглекислого газу і води;

б) анаеробне окислення до лактату;

в) пентозний шлях окислення;

г) окислення з утворенням глюкуронової кислоти.

Глибина окислювального розщеплення молекули глюкози може бути різною: від окислення однієї з кінцевих угруповань молекул до карбоксильної групи, що відбувається при утворенні глюкуроновою кислоти, до повної деградації молекули глюкози при її аеробному розпаді.

 2.1.1. Аеробне окислення глюкози

 У клітинах аеробних організмів основним, принаймні відносно загальної кількості розщеплюваний глюкози, є її аеробний розпад до вуглекислого газу і води. При розщепленні 1 М глюкози (180 г) в аеробних умовах виділяється 686 ккал вільної енергії. Сам процес аеробного окислення глюкози можна розділити на 3 етапи:

1. Розщеплення глюкози до пірувату.

2. Окислювальне декарбоксилювання пірувату до ацетил-КоА.

3. Окислення ацетил в циклі Кребса (ЦТК), зв'язане з роботою ланцюга дихальних ферментів.

 2.1.1.1. Розщеплення глюкози до пірувату

 За сучасними уявленнями перший етап окислення глюкози протікає в цитоплазмі і каталізується надмолекулярних білковим комплексом - гліколітичні метаболоном, що включає в себе до десятка окремих ферментів.

Перший етап окислення глюкози може бути в свою чергу розділений на 2 стадії. У реакціях першій стадії відбувається фосфорилювання глюкози, ізомеризація залишку глюкози в залишок фруктози, додаткове фосфорилювання вже фруктозного залишку і, нарешті. розщеплення гексозного залишку на два залишку фосфотріоз:

Ця реакція каталізується ферментом гексокінази. Як фосорілірующего агента в клітці використовується АТФ. Реакція супроводжується втратою вільної енергії близько 5,0 ккал/моль і в умовах клітини є незворотною.

Регулювання роботи першого етапу аеробного розщеплення глюкози здійснюється за допомогою термодинамічних механізмів і за допомогою механізмів аллостеріческой модуляції регуляторних ферментів, що беруть участь в роботі цього метаболічного шляху.

За допомогою термодинамічних механізмів здійснюється контроль напрямку потоку метаболітів з даного метаболічного шляху. У згадану систему реакцій включені три реакції, у ході яких губиться велика кількість енергії: гексокіназная (G0 = - 5,0 ккал/моль), фосфофруктокіназная (G0 = -3,4 ккал/моль) і піруваткіназная (G0 = - 7,5 ккал/моль). Ці реакції в клітині практично не оборотні, особливо піруваткіназная реакція, і за рахунок їх незворотності процес стає незворотнім в цілому.

 Інтенсивність потоку метаболітів з даного метаболічного шляху контролюється в клітині за рахунок зміни активності включених в систему аллостеріческіх ферментів: гексокінази, фосфофруктокінази і піруваткінази. Таким чином, пункти термодинамічного контролю метаболічного шляху одночасно є і ділянками, на яких здійснюється регулювання інтенсивності потоку метаболітів.

Головним регуляторним ланкою системи є фосфофруктокіназа. Активність цього ферменту пригнічується високими концентраціями АТФ у клітині, ступінь аллостеріческого інгібування ферменту АТФ посилюється при високих концентраціях цитрату в клітці. АМФ є аллостеріческім активатором фосфофруктокінази.

Гексокінази відзначено зниження по аллостеріческому механізму високими концентраціями Гол-6-ф. У цьому випадку ми маємо справою з роботою сполученого регуляторного механізму. У клітці після пригнічення активності фосфофруктокінази високими концентраціями АТФ накопичується Фр-6-ф, а значить накопичується і Гл-6-ф, оскільки реакція, що каталізується фосфогексоізомеразой, легко оборотна. У такому випадку підвищення концентрації АТФ в клітині інгібує активність не тільки фосфофруктокінази, а й гексокінази.

Дуже складно виглядає регуляція активності третього кінази піруваткінази. Активність ферменту стимулюється Гол-6-ф, Фр-1 ,6-БФ і ФГА по аллостеріческому механізму - так називаючи активація попередником. У свою чергу, високі внутрішньоклітинні концентрації АТФ, НАДН, цитрату, сукцініл-КоА і жирних кислот пригнічують активність ферменту по аллостеріческому механізму.

У цілому, розщеплення глюкози до пірувату гальмується на рівні 3 зазначених кіназ при високій концентрації АТФ в клітині, тобто в умовах гарної забезпеченості клітини енергією. При нестачі енергії в клітині активація розщеплення глюкози досягається, по-перше, за рахунок зняття аллостеріческого інгібування кіназ високими концентраціями АТФ і аллостеріческой активації фосфофруктокінази АМФ і, по-друге, за рахунок аллостеріческой активації піруваткінази попередниками: Гл-6-Ф, Фр-1, 6-БФ та ФГА.

Який сенс інгібування цитратом фосфофруктокінази і цитратом і сукцініл-КоА - піруваткінази? Справа в тому, що з однієї молекули глюкози утворюється дві молекули ацетил-КоА, який потім окислюється в циклі Кребса. Якщо в клітині накопичуються цитрат і сукцініл-КоА, значить цикл Кребса не справляється з окисленням вже напрацьованого ацетил-КоА і є сенс пригальмувати його додаткова освіта, що і досягається інгібуванням фосфофруктокінази і піруваткінази.

Нарешті, пригнічення окислення глюкози на рівні піруваткінази при підвищенні концентрації жирних кислот направлено на заощадження глюкози в клітині в умовах, коли клітина забезпечена іншим, більш ефективним видом енергетичного палива.

2.1.1.2. Окислювальне декарбоксилювання пірувату

 В аеробних умовах піровиноградна кислота піддається окислювальному декарбоксилюванні з утворенням ацетил-КоА. Це перетворення каталізується надмолекулярних піруватдегідрогеназним комплексом, локалізованим в матриксі мітохондрій. До складу піруватдегідрогеназного комплексу входять три різних ферменту: піруватдекарбоксілаза, дігідроліпоатацетілтрансфераза і дегідрогеназ дигідроліпоєвої кислоти, їх кількісні співвідношення в складі комплексу залежать від джерела виділення, як правило це співвідношення наближається до 30:1:10.

Перший фермент цього комплексу - піруватдекарбоксілаза (Е1) каталізує реакцію з утворенням углекіслог?? газу і активованого ацетальдегіду, пов'язаного з тіаміндифосфат - простетичної групою ферменту.

Другий фермент - дігідроліпоатацетільрансфераза (Е2) каталізує два послідовних перетворення:

а) на першому етапі йде перенесення активованого залишку ацетальдегіду на простетичної групу ферменту - ліпоєвої кислоти, причому це перенесення супроводжується одночасним окисленням альдегідної групи до карбоксильної групи: Утворюються ацетил-КоА і фермент Е2 з відновленою формою коферменту.

Третій фермент - дегідрогеназ дигідроліпоєвої кислоти каталізує перетворення відновленої форми ліпоєвої кислоти попереднього ферменту в окислених форму: До складу ферменту входить в якості простетичної групи ФАД і фактично атоми водню з відновленої форми ліпоєвої кислоти спочатку переносяться на ФАД, а потім вже переносяться на НАД + з утворенням його відновленої форми.

Слід нагадати, що при окисленні глюкози утворюється 2 молекули пірувату, що слід враховувати при написанні сумарного рівняння окислювального декарбоксилювання пірувату:

Перетворення пірувату в ацетил-КоА в ході функціонування піруватдегідрогеназного комплексу незворотньо, поскільки супроводжується втратою 11,5 ккал/моль енергії в розрахунку на 1 моль окисленого пірувату. Таким чином, ми маємо справу ще з одним пунктом термодинамічного контролю в загальній системі метаболічної аеробного окислення глюкози.

Контроль інтенсивності потоку метаболітів по піруватдегідрогеназному комплексу здійснюється за рахунок роботи двох механізмів: ковалентного модифікації і аллостеріческой модуляції. Ковалентний модифікація реалізується у вигляді фосфорилювання і дефосфорілірованія комплексу: Фосфорилювання посилюється при високих співвідношеннях АТФ/АДФ, НАДН/НАД + і ацетіл-КоА/КоА. Інакше кажучи, активність комплексу знижується, якщо клітина добре забезпечена енергією (багато АТФ і НАДН) або ж цикл Кребса не справляється з окисленням наявного ацетил-КоА. А дефосфорілірованіе стимулюється по аллостеріческому механізму піруват, т. Е. накопичення пірувату в клітці прискорює його утилізацію - вже відомий нам механізм стимуляції попередником.

Утворений ацетил-КоА, як вже неодноразово згадувалося. надходить до циклу трікарбоних кислот, робота якого пов'язана з функціонуванням ланцюга дихальних ферментів. При функціонуванні цих двох метаболічних шляхів залишок ацетил окислюється до вуглекислого газу і води.

Як нагадування можна навести сумарну реакцію окислення ацетил (з ацетил-КоА) у циклі Кребса:

 Далі вже можна написати сумарне рівняння для всіх трьох етапів окислення молекули глюкози:

 З рівняння випливає, що аеробне окислення однієї молекули глюкози супроводжується утворенням 6 молекул вуглекислого газу, 4 макроергів (2АТФ і 2 ГТФ), а також 12 відновлених коферментів (10 НАДН і 2 ФАДН2)

Повний розрахунок енергетичної ефективності аеробного окислення глюкози можна провести, керуючись наступною далі схемою: