Углеводный обмен — совокупность процессов потребления, преобразования, новообразования и утилизации углеводов, основным назначением которого является поддержание постоянной концентрации глюкозы в крови в пределах 3,9-6,1 ммоль/л.Это необходимо для нормального функционирования нейронов головного мозга; в нормальных условиях в качестве энергетического субстрата они могут использовать только глюкозу, которую не способны ни депонировать, ни образовывать в процессе глюконеогенеза.
В условиях нормального питания углеводы составляют 3/4 рациона и обеспечивают 50 % энергетических потребностей организма. Среди потребляемых углеводов количество моно- и дисахаридов не должно превышать 25 %, остальное составляют полисахариды. Избыток моно- и дисахаридов вызывает ожирение, развитие атеросклероза и обусловливает манифестацию сахарного диабета.
Углеводы не являются незаменимыми веществами, но в процессе глюконеогенеза, активируемого при снижении уровня глюкозы в крови, разрушаются белки и образуется большое количество токсических веществ, для обезвреживания и выведения которых необходимы энергия и нормальное функционирование печени и почек.
Полисахариды
крахмал и
гликоген расщепляются ферментом амилазой до глюкозы и мальтозы в полости рта и тонкой кишке. Дисахариды
сахароза, лактоза, мальтоза расщепляются в тонкой кишке. Сахароза расщепляется с помощью сахаразы на глюкозу и фруктозу, лакгоза (молочный сахар) — на глюкозу и галактозу под воздействием лактазы, мальтоза — на две молекулы глюкозы с помощью мальтазы.
Молекулы глюкозы и других моносахаридов не способны свободно проходить через липидный барьер мембран. Для их транспорта необходимы специальные белки-переносчики, содержащие 492—524 аминокислоты, которые в форме зигзага 12 раз проникают через мембрану.
Клетки тонкой кишки и нефронов на апикальной мембране содержат натрийзависимый котранспортер моносахаридов (симпорт). Он транспортирует глюкозу, фруктозу или галактозу с помощью механизма вторично активного транспорта, т. е. против градиента концентрации, вместе с ионами натрия, переносимыми по градиенту концентрации, который образуется вследствие работы Nа+, К+-АТФазы на базальной мембране этих клеток. Транспорт натрия по градиенту концентрации, созданному благодаря энергии АТФ, обусловливает перенос через клеточную мембрану моносахаридов, даже в случае их очень низкой концентрации в пищеварительном канале или первичной моче.
Другие переносчики глюкозы, фруктозы и, вероятно, галактозы обозначаются как ГЛЮТ (глюкозные транспортеры) и обеспечивают облегченную диффузию моносахаридов через клеточную мембрану по градиенту концентрации:
• ГЛЮТ-1 в большом количестве содержится в эндотелии сосудов головного мозга и в меньшем — в других органах и тканях;
• ГЛЮТ-2 определяется в клетках органов, способных не только всасывать, но и высвобождать глюкозу в кровь (энтероциты тонкой кишки, гепатоциты и нефроциты). В условиях ацидоза почки выделяют больше глюкозы, чем печень. В В-клетках островков поджелудочной железы, или островков Лангерганса (р-эндокриноцитах) этот переносчик является сенсором глюкозы;
• ГЛЮТ-3 имеет наибольшее сродство к глюкозе и содержится в нейронах головного мозга;
• ГЛЮТ-4 — инсулинозависимый. В обычных условиях этот переносчик содержится в микровезикулах цитоплазмы мышечных клеток и адипоцитов. Только в случае действия инсулина на инсулиновые рецепторы ГЛЮТ-4 экспрессируется на клеточной мембране. При глюкозной нагрузке 80 % всей глюкозы захватывается мышечными клетками;
• ГЛЮТ-5 транспортирует фруктозу в пищеварительном канале и сперматозоидах.
Нарушение транспорта углеводов может быть связано с наследственной недостаточностью переносчиков или нарушением работы Na+, K+-ATФазы, что чаще всего является результатом ингибиции синтеза АТФ в митохондриях.
Для поддержания постоянной концентрации глюкозы в крови ее избыток, возникающий после приема пищи, откладывается в виде гликогена в печени и мышцах (гликогенез) и в виде липидов — в адипоцитах (липогенез). При снижении концентрации глюкозы в крови гликоген печени распадается до глюкозы (гликогенолиз), которая выходит в кровь. Кроме того, в печени и почках глюкоза образуется из лактата, пирувата и глицерина, поставщиком которого является липолиз, а также из аминокислот (кроме лейцина) в процессе глюконеогенеза.
Регуляция углеводного обмена. Депонирование, высвобождение, угилизация и новообразование глюкозы регулируются инсулином и контринсулярными гормонами.
К гормонам, регулирующим углеводный обмен, относятся:
I. Инсулин, который снижает концентрацию глюкозы в крови и усиливает ее утилизацию клетками вследствие:
• активации ГЛЮТ-4, что усиливает захват глюкозы мышечной и жировой тканями;
• активации во всех тканях, кроме головного мозга, гексокиназы и глюкокиназы, которые превращают попавшую в клетку глюкозу в глюкозо-6-фосфат;
• стимуляции ферментов гликогенеза в печени и мышцах;
• стимуляции ферментов липогенеза в адипоцитах;
• стимуляции ферментов ЦТК, пентозо-фосфатного шунта (ПФШ) и гликолиза, что ускоряет утилизацию глюкозы;
• блокировки ферментов глюконеогенеза, гликогенолиза и липолиза.
Кроме того инсулин:
• активирует Ка+, К+-АТФазу, что способствует переходу ионов калия в клетки;
• увеличивает синтез белков;
• ускоряет клеточный рост.
II. Контринсулярные гормоны повышают концентрацию глюкозы в крови, но они являются функциональными агонистами инсулина, поскольку увеличивают диффузию глюкозы в клетки в условиях дефицита инсулина за счет повышения градиента его концентрации.
1. Глюкагон:
• активирует расщепление гликогена в печени;
• активирует глюконеогенез;
• активирует липолиз;
• активирует образование кетоновых тел из жирных кислот в печени;
• блокирует ЦТК, ПФШ, гликолиз.
2. Катехоламины:
• стимулируют гликогенолиз;
• стимулируют липолиз.
3. Глюкокортикоиды:
• блокируют гексо- и глюкокиназу;
• активируют глюконеогенез, преимущественно за счет распада белков мышц и катаболизма аминокислот;
• очень слабо активируют липолиз.
4. Гормоны щитовидной железы:
• активируют гликолиз, ЦТК, ПФШ;
• стимулируют всасывание глюкозы в кишечнике;
• активируют липолиз;
• стимулируют гликогенолиз.
5. Соматотропин:
• ингибирует глюко- и гексокиназу;
• стимулирует липолиз;
• активирует глюконеогенез;
• активирует протеиназы, что ускоряет расщепление инсулина и снижает его концентрацию;
• стимулирует синтез и секрецию глюкагона.