Транспорт глюкози з крові у клітини. Транспорт речовин через клітинні мембрани Види глюкозних транспортерів їх тканинний розподіл

Кінцевими продуктами гідролізу вуглеводіву шлунково-кишковому тракті є лише три речовини: глюкоза, фруктоза та галактоза. При цьому частку глюкози припадає майже 80% загальної кількості цих моносахаридів. Після всмоктування в кишечнику більшість фруктози і майже вся галактоза перетворюються на печінки в глюкозу. Внаслідок цього у крові присутні лише невеликі кількості фруктози та галактози. У результаті процесів перетворення глюкоза стає єдиним представником вуглеводів, що транспортується у всі клітини організму.

Відповідні ферменти, необхідні клітин печінки для забезпечення процесів взаємного перетворення моносахаридів - глюкози, фруктози та галактози - показані на малюнку. В результаті цих реакцій, коли печінка вивільняє моносахариди назад у кров, остаточним продуктом, що потрапляє в кров, стає глюкоза. Причина цього явища полягає в тому, що клітини печінки містять велику кількість глюкозофосфатази, тому глюкозо-6-фосфат може розщеплюватись на глюкозу та фосфат. Потім глюкоза транспортується через мембрани клітин назад у кров.

Хотілося б ще раз наголосити, що зазвичай понад 95% всіх моносахаридів, що циркулюють у крові, представлені кінцевим продуктом перетворення – глюкозою.
Транспорт глюкози через мембрану клітини. Перш ніж глюкоза буде використана клітинами тканин, вона повинна транспортуватися через мембрани клітин у цитоплазму. Проте глюкоза неспроможна вільно дифундувати через пори клітинних мембранах, т.к. максимальна молекулярна маса часток повинна бути в середньому дорівнює 100, в той час як молекулярна маса глюкози становить 180. Проте глюкоза може відносно легко проникати всередину клітин завдяки механізму полегшеної дифузії. Основи цього механізму обговорювалися у розділі 4, нагадаємо його основні моменти.

Відео: Клітинні включення

Наскрізь пробода ліпідну мембрану клітинбілки-переносники, кількість яких у мембрані досить велика, можуть взаємодіяти з глюкозою. У такій зв'язаній формі глюкоза може транспортуватися білком-переносником з одного боку мембрани на іншу і там відокремлюватися-якщо з одного боку мембрани концентрація глюкози вище, ніж з іншого, то глюкоза буде транспортуватися туди, де її концентрація нижче, а не в протилежному напрямку. Транспорт глюкози через клітинні мембрани у більшості тканин різко відрізняється від транспорту, який спостерігається в шлунково-кишковому тракті або епітеліоцитах канальцевого апарату нирок.

Відео: Medical

В обох згаданих випадках транспорт глюкозиопосередкований пов'язаним з механізмом активного транспортування натрію. Активний транспорт натрію забезпечує енергією процес всмоктування глюкози проти концентрації градієнта. Такий пов'язаний з натрієм активний механізм транспорту глюкози зустрічається лише у спеціалізованих епітеліоцитах, пристосованих активного процесу абсорбції глюкози. В інших клітинних мембранах глюкоза транспортується тільки з областей з високою концентрацією в область низьких концентрацій за допомогою механізму полегшеної дифузії, можливість якого створюється особливими властивостями білка-переносника глюкози, розташованого в мембрані.

Фермент: Субстрат:

1. Сахараза а) глюкозо(α-1,4)-глюкоза

2. Лактаза б) глюкозо(α-1,2)-фруктоза

3. Ізомальтаза в) глюкозо(α-1,6)-глюкоза

г) галактозо(ß-1,4)-глюкоза

д) глюкозо(ß-1,4)-глюкоза

3. Виберіть одну відповідь. Транспорт глюкози з крові в клітини м'язової та жирової тканини відбувається:

а) проти градієнта концентрації

б) за участю Na + ,K + -АТФази

в) за участю ГЛЮТ-2

г) під час тривалого голодування

д) за участю інсуліну

4. Виберіть правильні відповіді. Транспорт глюкози до клітин мозку відбувається:

а) за участю ГЛЮТ-4 б) незалежно від інсуліну

в) механізмом симпорта г) по градієнту концентрації

д) із витратою енергії АТФ

5. Виконайте «ланцюгове» завдання.

А.Вкажіть фермент, який каталізує реакцію

галактозо(ß-1,4)-глюкоза → галактоза + глюкоза

а) сахараза б) мальтаза в) лактаза

Б.Цей фермент:

а) синтезується у підшлунковій залозі

б) є ​​простим білком

в) відноситься до класу ліаз

г) утворює продукт, який всмоктується шляхом простої дифузії

д) змінює активність залежно від віку

Ст.Порушення дії цього ферменту може бути пов'язане з

а) кишковими захворюваннями (гастрит, ентерит)

б) віковим зниженням експресії гена

в) спадковим дефектом

г) відсутністю білків-переносників у мембрані кишкових ворсинок

6. Виберіть одну відповідь. Глікогенфосфорилаза каталізує:

а) розщеплення глікозидних зв'язків у точках розгалуження молекул глікогену

б) утворення глюкозо-6-фосфату

в) утворення вільної глюкози

г) реакцію за участю АТФ

д) утворення глюкозо-1-фосфату

Виберіть правильні відповіді. Ферменти, спадкові дефекти

яких, є причиною аглікогенозу:

а) глікозилтрансфераза

б) глюкозо-6-фосфатаза

в) протеїнкіназа

г) кіназу глікогенфосфорилази

д) УДФ-глюкопірофосфорілаза

8. Встановіть відповідність.

А. Інсулін 1) впливає на проникність мембран клітин мозку

Б. Глюкагон для глюкози

В. Обидва 2) активує фосфатазу глікогенсинтази

Г. Жоден 3) активує реакцію АТФ → цАМФ

4) регулює обмін глікогену у печінці

9. Виберіть одну неправильну відповідь. Катаболізм глюкози:

а) може протікати як в аеробних, так і в анаеробних умовах

б) відбувається в цитозолі та в мітохондріях

в) служить основним джерелом АТФ у м'язах при голодуванні

г) проміжні продукти використовуються в анаболічних процесах

д) максимальна кількість АТФ, що утворюється при катаболізмі глюкози,

дорівнює 38 молям

10. Виберіть одну неправильну відповідь. Аеробний розпад глюкози є джерелом:

а) субстратів для синтезу амінокислот

б) субстратів для синтезу ТАГ у печінці

в) АТФ для життєдіяльності еритроцитів

г) субстрату для синтезу НАДФ у жировій тканині

д) субстратів для загального шляху катаболізму

11. Виберіть одну неправильну відповідь. Анаеробний гліколіз:

а) є основним постачальником енергії для еритроцитів

б) забезпечує енергією м'яза

в) відбувається лише за умови регенерації НАД + за допомогою пірувату

г) забезпечує окислення глюкози та утворення АТФ без О 2

д) включає 2 реакції субстратного фосфорилювання

12. Виберіть правильні відповіді. Глюконеогенез:

а) підтримує постійний рівень глюкози у крові

б) забезпечує енергетичні витрати клітин мозку

в) включає оборотні реакції гліколізу

г) використовує 2 моля субстрату для синтезу 1 моля продукту

д) використовує 6 молей макроергічних сполук для синтезу 1 моля

продукту

13. Виберіть одну неправильну відповідь. Джерелами атомів вуглецю для синтезу глюкози є:

а) аланін б) аспартат

в) ацетил-КоА г) гліцерол

14. Встановіть відповідність.

А. Глюконеогенез у печінці 1) прискорюється в абсортивному періоді

Б. Розпад глікогену у печінці 2) утворює глюкозу, не використовуючи АТФ

В. Обидва 3) джерело глюкози для інших органів

Г. Жоден 4) забезпечує глюкозою мозок при

тривалому голодуванні

Глюкоза надходить із кровотоку в клітини шляхом полегшеної дифузії за допомогою білків-переносників – ГЛЮТів. Глюкозні транспортери ГЛЮТ мають доменну організацію і виявлені у всіх тканинах. Виділяють 5 типів ГЛЮТів:
ГЛЮТ-1 – переважно у мозку, плаценті, нирках, товстому кишечнику;
ГЛЮТ-2 – переважно у печінці, нирках, β-клітинах підшлункової залози, ентероцитах, є в еритроцитах. Має високу км;
ГЛЮТ-3 - у багатьох тканинах, включаючи мозок, плаценту, нирки. Має більшу, ніж ГЛЮТ-1, спорідненість до глюкози;
ГЛЮТ-4 – інсулінзалежний, у м'язах (скелетній, серцевій), жировій тканині;
ГЛЮТ-5 – багато у клітинах тонкого кишечника, є переносником фруктози.

ГЛЮТи, залежно від типу, можуть бути переважно як у плазматичній мембрані, так і в цитозольних везикулах. Трансмембранне перенесення глюкози відбувається тільки тоді, коли ГЛЮТ знаходяться в плазматичній мембрані. Вбудовування ГЛЮТів у мембрану із цитозольних везикул відбувається під дією інсуліну. При зниженні концентрації інсуліну в крові ці ГЛЮТ знову переміщуються в цитоплазму. Тканини, у яких ГЛЮТи без інсуліну майже повністю перебувають у цитоплазмі клітин (ГЛЮТ-4, і меншою мірою ГЛЮТ-1), виявляються інсулінзалежними (м'язи, жирова тканина), а тканини, у яких ГЛЮТи переважно перебувають у плазматичної мембрані (ГЛЮТ- 3) - інсуліннезалежними.

Відомі різні порушення у роботі ГЛЮТів. Спадковий дефект цих білків може лежати в основі інсулінозалежного цукрового діабету.

Метаболізм моносахаридів у клітині.
Після всмоктування в кишечнику глюкоза та інші моносахариди надходять до ворітної вени і далі в печінку. Моносахариди в печінці перетворюються на глюкозу або продукти її метаболізму. Частина глюкози в печінці депонується у вигляді глікогену, частина йде на синтез нових речовин, а частина через кровотік, прямує до інших органів та тканин. При цьому печінка підтримує концентрацію глюкози у крові на рівні 3,3-5,5 ммоль/л.

Фосфорилювання та дефосфорилювання моносахаридів.
У клітинах глюкоза та інші моносахариди з використанням АТФ фосфорилуються до фосфорних ефірів: глюкоза + АТФ → глюкоза-6ф + АДФ. Для гексозу цю незворотну реакцію каталізує фермент гексокіназа , яка має ізоформи: у м'язах – гексокіназа II, у печінці, нирках та β-клітинах підшлункової залози – гексокіназа IV (глюкокіназа), у клітинах пухлинних тканин – гексокіназа III. Фосфорилювання моносахаридів призводить до утворення реакційно-здатних сполук (реакція активації), які не здатні залишити клітину. немає відповідних білків-переносників. Фосфорилювання зменшує кількість вільної глюкози у цитоплазмі, що полегшує її дифузію з крові до клітин.

Гексокіназа II фосфорилює D-глюкозу, та з меншою швидкістю, інші гексози. Маючи високу спорідненість до глюкози (Кm<0,1 ммоль/л), гексокиназа II обеспечивает поступление глюкозы в ткани даже при низкой концентрации глюкозы в крови. Так как гексокиназа II ингибируется глюкозо-6-ф (и АТФ/АДФ), глюкоза поступает в клетку только по мере необходимости.

Глюкокіназа (Гексокіназа IV) має низьку спорідненість з глюкозою, активна в печінці (і нирках) при підвищенні концентрації глюкози (у період травлення). Глюкокіназа не пригнічується глюкозо-6-фосфатом, що дає можливість печінки без обмежень видаляти надлишки глюкози з крові.

Глюкозо-6-фосфатаза каталізує незворотне відщеплення фосфатної групи гідролітичним шляхом в ЕПР: Глюкозо-6-ф + Н 2 О → Глюкоза + Н 3 РО 4 є тільки в печінці, нирках і клітинах епітелію кишечника. Глюкоза, що утворилася, здатна дифундувати з цих органів в кров. Таким чином, глюкозо-6-фосфатаза печінки та нирок дозволяє підвищувати низький рівень глюкози у крові.

Метаболізм глюкозо-6-фосфату
Глюкозо-6-ф може використовуватися клітині в різних перетвореннях, основними з яких є катаболізм з утворенням АТФ, синтез глікогену, ліпідів, пентоз, полісахаридів та амінокислот.

МЕТАБОЛІЗМ ГЛІКОГЕНУ.
Багато тканин як резервної форми глюкози синтезують глікоген. Синтез та розпад глікогену в печінці підтримують гомеостаз глюкози в крові.

Глікоген - розгалужений гомополісахарид глюкози з масою >10 7 Так (50000 залишків глюкози), в якому залишки глюкози з'єднані в лінійних ділянках α-1,4-глікозидним зв'язком. У точках розгалуження, через кожні 10 залишків глюкози, мономери з'єднані α-1,6-глікозидними зв'язками. Глікоген, водонерозчинний, зберігається у цитозолі клітини у формі гранул діаметром 10-40 нм. Глікоген депонується головним чином у печінці (до 5%) та скелетних м'язах (до 1%). В організмі може бути від 0 до 450 г глікогену.

Розгалужена структура глікогену сприяє роботі ферментів, що відщеплюють або приєднують мономери.

Синтез глікогену (глікогеногенез)
Глікоген синтезується з витратою енергії в період травлення (через 1-2 години після прийому вуглеводної їжі).

Синтез глікогену здійснюється шляхом подовження вже наявної молекули полісахариду, яка називається « затравка », або « праймер ». До складу праймера може входити глікогенін білок, в якому до Тир приєднаний олігосахарид (приблизно з 8 залишків глюкози). Глюкозні залишки переносяться глікогенсинтазою на нередукуючий кінець олігосахариду і зв'язуються α-1,4-глікозидними зв'язками.

При подовженні лінійної ділянки приблизно до 11 глюкозних залишків фермент розгалуження переносить її кінцевий блок, що містить 6-7 залишків, на внутрішній залишок глюкози цього або іншого ланцюга з утворенням α-1,6-глікозидного зв'язку. Нова точка розгалуження утворюється на відстані не менше 4 залишків від будь-якої вже існуючої точки розгалуження.

Розпад глікогену (глікогеноліз)
Розпад глікогену відбувається шляхом послідовного відщеплення глюкозо-1-ф у відповідь на підвищення потреби організму в глюкозі. Реакцію каталізує глікогенфосфорілаза:

Глікогенфосфорилаза складається з 2 ідентичних субодиниць (94500 Так). Неактивна форма позначається b, активна – a. Активується кіназою фосфорилази b шляхом фосфорилювання кожної субодиниці по серину в 14 положенні.

Глікогенфосфорилаза розщеплює фосфоролізом α-1,4-глікозидні зв'язки, доки до точки розгалуження не залишається 4 залишки глюкози.

Інактивація глікогенфосфорилази відбувається при дефосфорилуванні за участю специфічної фосфатази (фосфопротеінфосфотази ФПФ).

Видалення розгалуження здійснює деветвящий фермент . Він має трансферазну та глікозидазну активності. Трасферазна частина ( олігосахаридтрансфераза ) переносить три глюкозних залишку, що залишилися до точки розгалуження, на нередукуючий кінець сусіднього ланцюга, подовжуючи її для фосфорилази.

Глікозідазна частина ( α-1,6-глюкозидазу ) гідролізує α-1,6-глікозидний зв'язок, відщеплюючи глюкозу.
Глюкозо-1-ф ізомеризується в глюкозо-6-ф фосфоглюкомутазою.

Метаболізм глікогену контролюється гормонами (у печінці – інсуліном, глюкагоном, адреналіном; у м'язах – інсуліном та адреналіном), які регулюють фосфорилювання та дефосфорилювання 2 ключових ферментів глікогенсинтази та глікогенфосфорилази.

При недостатньому рівні глюкози у крові виділяється гормон глюкагон, у крайніх випадках – адреналін. Вони стимулюють фосфорилювання глікогенсинтази (вона інактивується) та глікогенфосфорилази (вона активується). При підвищенні рівня глюкози у крові виділяється інсулін, він стимулює дефосфорилювання глікогенсинтази (вона активується) та глікогенфосфорилази (вона інактивується). Крім того, інсулін індукує синтез глюкокінази, тим самим прискорюючи фосфорилювання глюкози у клітині. Все це призводить до того, що інсулін стимулює синтез глікогену, а адреналін та глюкагон – його розпад.

Клітини тканин організму глюкоза може надходити як екзогенна з їжі, так утворена ендогенно з депонованого глікогену (в результаті глікогенолізу) або з інших субстратів, таких як лактат, гліцерол, амінокислоти (в результаті глюконеогенезу). Глюкоза, що всмокталася в тонкій кишці, надходить через ворітну вену в печінку і потрапляє в гепатоцити. За своєю природою глюкоза є гідрофільною речовиною, отже вона не може вільно поникнути через фосфоліпідну мембрану. Механізм її транспорту здійснюється за допомогою білків-переносників. При стимуляції інсуліном спостерігається збільшення вмісту цих білків у плазматичних мембранах у 5-10 разів при одночасному зменшенні їх отримання на 50-60% усередині клітини. Для стимуляції пересування білків-переносників до мембрани потрібен подальший стимулюючий вплив інсуліну. На сьогоднішній день виділено два класи транспортерів глюкози:

· Na-глюкозний котранспортер, який експресується спеціальними епітелільними війчастими клітинами тонкої кишки та проксимальним відділом нирок. Цей білок здійснює активний транспорт глюкози з просвіту кишки або нефрону проти градієнта концентрації шляхом зв'язування глюкози з іонами натрію, які транспортуються нижче градієнта концентрації.

· Власні транспортери глюкози. Це мембранні білки, що знаходяться на поверхні всіх клітин і здійснюють транспорт глюкози нижче за градієнт концентрації. Транспортери глюкози здійснюють перенесення глюкози у клітину, а й з клітини і також беруть участь у внутрішньоклітинному пересуванні глюкози. В даний час описано 6 транспортних білків для глюкози GluT.

У клітинах глюкоза фосфорилюється у гексокіназній реакції, перетворюючись на глюкозо-6-фосфат (Гл-6-Ф), Гл-6-Ф є субстратом кількох шляхів метаболізму: з цієї молекули починається синтез глікогену, пентозофосфатний цикл, гліколітичний розпад до лактату повне розщеплення до СО 2 і Н 2 О. У клітинах, здатних до глюконеогенезу (клітини печінки, нирок, кишечника), Гл-6-Ф може дефосфорилуватися і у вигляді вільної глюкози надходити в кров і переноситися до інших органів та тканин.

Особливо важливою є глюкоза для клітин мозку. Клітини нервової системи залежить від глюкози як від основного енергетичного субстрату. У той же час у мозку немає запасів глюкози, вона там не синтезується, нейрони не можуть споживати інші енергетичні субстрати, крім глюкози та кетонових тіл, глюкоза практично повністю може вичерпуватися із позаклітинної рідини, оскільки клітини нервової системи споживають глюкозу інсулін-незалежним шляхом.

Глікоген. З Гл-6-Ф в результаті поєднаної дії глікогенсинтетази та «гілкуючого» ферменту синтезується глікоген - полімер, що нагадує по виду дерево. У молекулі глікогену може бути до мільйона моносахаридів. При цьому відбувається як би кристалізація глікогену і він не має осмотичного ефекту. Така форма придатна для зберігання у клітині. Якби така кількість молекул глюкози була розчинена, то через осмотичні сили клітину б розірвало. Глікоген є депонованою формою глюкози та енергії. Він міститься практично у всіх тканинах, у клітинах нервової системи його мінімальна кількість, у печінці та м'язах його особливо багато. Глікоген містить лише 2 типи глікозидних зв'язків: a(1®4)-тип та a(1®6)-тип. Зв'язок a(14)-тип формується через кожні 8-10 залишків D-глюкози (рис 4).

Глікогеноліз. Це шлях розщеплення глікогену. Глікоген в організмі в основному зберігається в печінці та скелетних м'язах. Глікоген м'язів використовується як джерело енергії при інтенсивному фізичному навантаженні. Глікогеноліз у печінці активується у відповідь на зниження глюкози при перервах у прийомі їжі або як стресова реакція. Основними гормонами, що активують глікогеноліз, є глюкагон, адреналін (епінефрін) та кортизол (таблиця 2).

Таблиця 2

Глікогеноліз починається з відщеплення кінцевих залишків глюкози зв'язків a(1®4), у цьому процесі ключовим ферментом є глікогенфосфорілаза (рис 5.). Активація фосфорилази здійснюється фосфорилюванням за участю цАМФ-залежної протеїнкінази та кінази фосфорилази. Контролюють активацію фосфорилази катехоламіни (печінка, м'язи) та глюкагон (печінка). Ці гормони сприяють розщепленню глікогену в печінці і тим самим гіперглікемічній відповіді. Продуктом фосфорилазної реакції є глюкозо-1-фосфат (Г-1-Ф), який перетворюється на Г-6-Ф за участю ферменту фосфоглюкомутази. У печінці глюкоза утворюється з Г-6-Ф та Г-1-Ф за участю відповідно ферментів Г-6-Фтази та Г-1-Фтази. Фермент фосфорилазу специфічний лише зв'язків a(1®4). Він розщеплює глікоген доти, доки в кінці гілки не залишиться 3-4 вуглеводні залишки. Потім діє ферментний комплекс з трансглюкозилази та глюкозидази. Перший з цих ферментів переносить (транслокує) короткий сегмент вуглеводних залишків в кінець ланцюга a(14), другий відщеплює глюкозу зв'язку a(16). Цикл за участю фосфорилази та ферментного комплексу, що руйнує розгалуження глікогену, повторюється. Близько 90% глюкози звільняється з глікогену у вигляді Г-1-Ф при руйнуванні зв'язку a(14), 10% у вигляді вільної глюкози при руйнуванні зв'язку a(16). Глюкоза може утворюватися з глікогену за участю аміло-1,6-глюкозидази, що розщеплює бічні ланцюги глікогену.

ядро

Глікогенози. Це група спадкових захворювань, пов'язаних з дефектами ферментів, за яких порушено розпад глікогену (рис. 5) і, незважаючи на величезний запас глікогену в органах, у хворих дітей розвивається гіпоглікемія (таблиця 3).

Таблиця 3.

Глікогенози – хвороби накопичення глікогену
Тип	Назва хвороби	Дефект ферменту	Структурні та клінічні прояви дефекту
I	von Gierke's (Гірці)	глюкозо-6-фосфатаза	тяжка постабсорбційна гіпоглікемія, лактоацидоз, гіперліпідемія
II	Pompe's (Помпе)	лізосомальна a-глюкозидаза	гранули глікогену в лізосомах
III	Cori's (Корі)	трансглюкозилаза/глюкозидаза	змінена структура глікогену, гіпоглікемія
IV	Andersen's (Андерсен)	«гілковий» фермент	змінена структура глікогену
V	McArdle's (Мак-Ардль)	м'язова фосфорилаза	відкладення глікогену в м'язах, судоми при фізичному навантаженні
VI	Hers’ (Геру)	фосфорилаза печінки	гіпоглікемія, але не така тяжка, як при I типі

Найбільш вивчена хвороба Гірке (глікогеноз I типу), при цьому захворюванні блоковано розщеплення глікогену через відсутність ферменту глюкозо-6-фосфатази, структура глікогену нормальна. Порушено утворення вільної глюкози, утворюється багато лактату. Гіпоглікемія призводить до активації жирового обміну, окиснення ліпідів супроводжується утворенням кетонових тіл. Гіпоглікемія проявляється яскраво при визначенні глюкози в крові глюкозоксидазним та гексокіназним методами, тоді як редуктометричним методом за Хагедорном через присутність у крові відновлювальних речовин результати визначення глюкози значно спотворюються. Велика цінність адреналінової та глюкагонової проби, оскільки адреналін та глюкагон не підвищують рівень глюкози в крові через нездатність печінки постачати вільну глюкозу з глікогену.

ІСТОРІЯ ХВОРОБИ № 1

ХВОРОБА ГИРЦІ (ГЛІКОГЕНОЗ ПРИ ДЕФІЦІТІ Г-6-Фази)

Дівчинка 6 місяців постійно вередувала, мала болісний вигляд, швидко втомлювалася, впадала в сонливість, у неї часто виникали розлади травлення, спостерігалося значне збільшення печінки.

Лабораторний аналіз:

Глюкоза в крові (через 1 год після годування) – 3,5 ммоль/л (референтний діапазон » 5 ммоль/л)

Через 4 години після годування на тлі ознак хворобливого стану при пульсі 110 в 1 хв рівень глюкози становив 2 ммоль/л. Симптоми знімалися після їди. Біопсія печінки показала потужні відкладення глікогену в цитоплазмі гепатоцитів.

Поставлений діагноз – хвороба Гірке. Лікування включало часті годування зі зменшенням вуглеводів у їжі та харчування через назогастральний зонд ночами.

ІСТОРІЯ ХВОРОБИ № 2

ХВОРОБА МАК-АРДЛЯ (ГЛІКОГЕНОЗ ІЗ ЗНИЖЕННЯМ М'язової СИЛИ)

30-річний чоловік консультувався у лікаря з приводу хронічного болю в м'язах ніг і рук і судом при фізичному навантаженні. У нього відзначалася слабкість у м'язах, тому він ніколи не займався спортом. Стан не змінювався доти, доки він не вирішив зміцнити м'язи, займаючись спортом. При завзятих фізичних вправах болю, зазвичай, проходили через 15-30 хв тренування, і міг далі займатися вправами.

Лабораторний аналіз:

При лабораторному дослідженні встановлено, що при помірному фізичному навантаженні рівень глюкози в крові був нормальним, але підвищена активність ММ фракції креатинкінази (ММ-КК), що свідчить про пошкодження м'язів. При інтенсивній м'язовій роботі рівень глюкози в крові трохи зменшувався, але при цьому знижувався і рівень лактату. Біопсія показала надзвичайно високий вміст глікогену у м'язах, що доводить хворобу накопичення глікогену.

Обговорення:

У початковий період м'язового навантаження завжди починає інтенсивно споживатися глюкоза, яка утворюється з глікогену, що розпадається. Однак при судомах, що виникають при кисневій заборгованості, в результаті активації гліколізу має відбуватися утворення пірувату, який перетворюється на лактат і надходить у кров. У цьому випадку не було збільшення лактату, що доводить порушення мобілізації м'язового глікогену. Припинення м'язових болів через 0,5 год після навантаження пояснюється фізіологічною реакцією, викликаною адреналіном, що звільняється при навантаженні, який сприяє надходженню в м'язи з крові глюкози і жирних кислот, що компенсують недостатнє надходження глюкози з м'язового глікогену.

Гліколіз.В анаеробних умовах глікліз – основний метаболічний шлях розщеплення глюкози. У цьому процесі при розпаді 1 молекули глюкози утворюється 2 молекули АТФ та 2 молекули пірувату. У тканинах, де повністю не забезпечується синтез АТФ за рахунок окислювального фосфорилювання, глюкоза є основним джерелом енергії. При інтенсивній м'язовій роботі в м'язах вуглеводи розщеплюються до лактату, викликаючи так звану кисневу заборгованість і призводячи до внутрішньоклітинного закислення. Ряд лікарських препаратів, зокрема бігуаніди, сульфонілсечовинні препарати першої генерації, активують гліколіз, тому при діабеті можуть бути додатковими факторами, що сприяють розвитку лактоацидозу. У зв'язку з цим, поряд з визначенням параметрів КОС і газів крові, в експрес-лабораторіях при реанімаційних відділеннях рекомендується визначення лактату у хворих з гіпоксією, що розвивається. Інгібіторами гліколізу є монойодацетат і NaF – сильнодіючі отрути. В еритроцитах гліколіз та пентозофосфатний цикл є основними шляхами утилізації глюкози, інтенсивність їх висока, тому не рекомендується при визначенні глюкози залишати потік із сироваткою або вимірювати глюкозу у стабілізованій ЕДТА крові більш ніж через 1 годину. При необхідності зберігати кров рекомендується використовувати як інгібітор гліколізу монойодацетат або NaF.

Аеробне окиснення глюкози.Глюкоза є одним із основних енергетичних субстратів в організмі. Швидкість її окислення у стані спокою натще становить близько 140 мг/кг маси протягом 1 години. Деякі життєво важливі органи, зокрема кора головного мозку, використовують як енергетичний субстрат виключно глюкозу. У процесі окислення вона перетворюється через гліколітичний шлях обміну в піруват, який надходить у мітохондрії, де декарбоксилюється до ацетил-коА. Подальше окислення відбувається у циклі Кребса та процесі окислювального фосфорилювання, в якому синтезується АТФ та утворюється ендогенна вода. Це основний шлях утворення енергії: 1 молекула глюкози в процесі аеробного окиснення дає можливість синтезуватися в 19 разів більше АТФ, ніж за гліколізу, тобто 38 молекул АТФ Окислення глюкози в аеробних умовах - найбільш ефективний шлях використання кисню для енергетичних потреб. Ефективність основного обміну найбільша, коли окислюється глюкоза, тому вона є важливим компонентом при парентеральному харчуванні.

Пентозофосфатний шунт.Біологічна роль цього циклу полягає в утворенні пентозофосфатів, необхідних для синтезу нуклеїнових кислот, для генерування відновлених еквівалентів у вигляді НАДФН для синтезу жирних кислот та забезпечення антиоксидантної системи клітин. Серед дефектів пентозофосфатного шунту найбільш поширений дефіцит або аномалії ферменту глюкозо-6-фосфатдегідрогенази. При цьому не забезпечується необхідне відновлення глютатіону. У мембрані еритроцитів активується перекисне окиснення, накопичуються гідроперекиси, порушується проникність клітинної мембрани, у результаті настає гемоліз.

Взаємозв'язок між вуглеводним, білковим та ліпідним обмінами. Важливим загальним проміжним продуктом метаболізму вуглеводів, амінокислот та ліпідів є в клітинах молекула ацетил-коА. Через ацетил-коА глюкоза та інші вуглеводи можуть перетворюватися на жирні кислоти та тригліцериди, на замінні амінокислоти і навпаки глюкоза може синтезуватися через цю молекулу. Через шляхи взаємоперетворень під час різного харчування організм синтезує необхідні компоненти. Тому навіть при виключно вуглеводному харчуванні може збільшитись маса жирової тканини. Після прийому їжі, як і після прийому вуглеводів, не рекомендується досліджувати базальний рівень глюкози в крові. Майже завжди при гіпертригліцеридемії є схильність до порушення вуглеводного обміну внаслідок розвитку інсулінорезистентності.

Глюконеогенез.Так називається метаболічний процес синтезу глюкози з амінокислот та продуктів проміжного обміну речовин. У процесі глюконеогенезу протікають самі реакції, що у гліколізі, але у зворотному напрямку. Виняток становлять 3 реакції, які шунтуються. Повний набір ферментів глюконеогенезу міститься у клітинах печінки, нирок, слизової оболонки кишечника. Глюкокортикоїди, зокрема кортизол, є потужними стимуляторами синтезу ферментів глюконеогенезу, викликаючи гіперглікемію за рахунок синтезу глюкози з амінокислот при катаболізмі білків.

РЕГУЛЯЦІЯ ВУГЛЕВОДНОГО ОБМІНУ.

Рівень глюкози у крові є найважливішим фактором гомеостазу. Він підтримується на певному рівні функцією кишечника, печінки, нирок, підшлункової залози, надниркових залоз, жирової тканини та інших органів (рис. 6).

М'ЯЗИ

КИШЕЧНИК

МОЗ

Мал. 6. Метаболізм глюкози після їди.Всмокталася в кишечнику глюкоза надходить у печінку. Печінка підтримує постійну доставку енергетичних субстратів інших органів, насамперед для мозку. Надходження глюкози в печінку та мозок не залежить від інсуліну, у м'язи та жирову тканину – інсулінзалежне. У всіх клітинах перший етап метаболізму глюкози – фосфорилювання. У печінці інсулін стимулює фермент глюкокіназу, ініціюючи утворення глікогену. Надлишок глюкозо-6-фосфату використовується для синтезу амінокислот та ліпідів. У м'язах глюкоза запасається у вигляді глікогену, у жировій тканині переходить у тригліцериди, у мозковій тканині глюкоза використовується як енергетичний субстрат.

Вирізняють кілька типів регуляції вуглеводного обміну: субстратну, нервову, гормональну, ниркову.

Обмін клітини із зовнішнім середовищем різними речовинами та енергією є життєво необхідною умовою її існування.

Для підтримки сталості хімічного складу та властивостей цитоплазми в умовах, коли мають місце суттєві відмінності хімічного складу та властивостей зовнішнього середовища та цитоплазми клітини, повинні існувати спеціальні транспортні механізми, вибірково переміщують речовини через .

Зокрема, клітини повинні мати механізми доставки кисню та поживних речовин з середовища існування та видалення в неї метаболітів. Градієнти концентрацій різних речовин існують не тільки між клітиною та зовнішнім середовищем, але й між органелами клітини та цитоплазмою, та транспортні потоки речовин спостерігаються між різними відсіками клітини.

Особливе значення для сприйняття та передачі інформаційних сигналів має підтримка трансмембранної різниці концентрацій мінеральних іонів Na + , К + , Са 2+. Клітина витрачає підтримку концентраційних градієнтів цих іонів істотну частину своєї метаболічної енергії. Енергія електрохімічних потенціалів, що запасається в іонних градієнтах, забезпечує постійну готовність плазматичної мембрани клітини відповідати на вплив подразників. Надходження кальцію в цитоплазму з міжклітинного середовища або з клітинних органел забезпечує відповідь багатьох клітин на гормональні сигнали, контролює виділення нейромедіаторів, запускає .

Мал. Класифікація типів транспорту

Для розуміння механізмів переходу речовин через клітинні мембрани необхідно враховувати як властивості цих речовин, і властивості мембран. Транспортовані речовини відрізняються молекулярною масою, зарядом, що переноситься, розчинністю у воді, ліпідах і рядом інших властивостей. Плазматична та інші мембрани представлені великими ділянками ліпідів, через які легко дифундують жиророзчинні неполярні речовини та не проходять вода та водорозчинні речовини полярної природи. Для трансмембранного переміщення цих речовин потрібна наявність спеціальних каналів у клітинних мембранах. Транспорт молекул полярних речовин утруднюється зі збільшенням їх розмірів і заряду (у разі потрібні додаткові механізми перенесення). Перенесення речовин проти концентраційних та інших градієнтів також потребує участі спеціальних переносників та витрат енергії (рис. 1).

Мал. 1. Проста, полегшена дифузія та активний транспорт речовин через мембрани клітин

Для трансмембранного переміщення високомолекулярних сполук, надмолекулярних частинок і компонентів клітин, не здатних проникати через мембранні канали, використовуються спеціальні механізми - фагоцитоз, піноцитоз, екзоцитоз, перенесення через міжклітинні простори. Таким чином, трансмембранне переміщення різних речовин може здійснюватися з використанням різних способів, які прийнято підрозділяти за ознаками участі в них спеціальних переносників та енерговитрат. Існують пасивний та активний транспорт через мембрани клітини.

Пасивний транспорт- Перенесення речовин через біомембрану за градієнтом (концентраційний, осмотичний, гідродинамічний і т.д.) і без витрати енергії.

Активний транспорт- Перенесення речовин через біомембрану проти градієнта та з витратою енергії. Людина 30- 40 % всієї енергії, що утворюється під час метаболічних реакцій, витрачається цей вид транспорту. У нирках 70-80% споживаного кисню йде активний транспорт.

Пасивний транспорт речовин

Під пасивним транспортомрозуміють перенесення речовини через мембрани за різними градієнтами (електрохімічного потенціалу, концентрації речовини, електричного поля, осмотичного тиску та ін.), що не вимагає безпосередньої витрати енергії на його здійснення. Пасивний транспорт речовин може відбуватися за допомогою простої та полегшеної дифузії. Відомо, що під дифузієюрозуміють хаотичні переміщення частинок речовини у різних середовищах, зумовлені енергією його теплових коливань.

Якщо молекула речовини електронейтральна, то напрям дифузії цієї речовини визначатиметься лише різницею (градієнтом) концентрацій речовини в середовищах, розділених мембраною, наприклад, поза і всередині клітини або між її відсіками. Якщо молекула, іони речовини несуть у собі електричний заряд, то дифузію впливатимуть як різниця концентрацій, величина заряду цієї речовини, і наявність і знак зарядів обох сторонах мембрани. Алгебраїчна сума сил концентраційного та електричного градієнтів на мембрані визначає величину електрохімічного градієнта.

Проста дифузіяздійснюється за рахунок наявності градієнтів концентрації певної речовини, електричного заряду чи осмотичного тиску між сторонами клітинної мембрани. Наприклад, середній вміст іонів Na+ у плазмі крові становить 140 мМ/л, а в еритроцитах приблизно в 12 разів менше. Ця різниця концентрації (градієнт) створює рушійну силу, яка забезпечує перехід натрію з плазми до еритроцитів. Однак швидкість такого переходу мала, оскільки мембрана має дуже низьку проникність для іонів Na+. Набагато більша проникність цієї мембрани для калію. На процеси простої дифузії не витрачається енергія клітинного метаболізму.

Швидкість простої дифузії описується рівнянням Фіка:

dm/dt = -kSΔC/x,

де dm/ dt- кількість речовини, що дифундує за одиницю часу; до -коефіцієнт дифузії, що характеризує проникність мембрани для дифузної речовини; S- площа поверхні дифузії; ΔС- Різниця концентрацій речовини по обидві сторони мембрани; х- Відстань між точками дифузії.

З аналізу рівняння дифузії ясно, що швидкість простої дифузії прямо пропорційна градієнту концентрації речовини між сторонами мембрани, проникності мембрани даної речовини, площі поверхні дифузії.

Очевидно, що найбільш легко переміщатися через мембрану шляхом дифузії будуть ті речовини, дифузія яких здійснюється і градієнтом концентрацій, і градієнтом електричного поля. Однак важливою умовою для дифузії речовин через мембрани є фізичні властивості мембрани і, зокрема, проникність її речовини. Наприклад, іони Na+, концентрація якого вище поза клітиною, ніж усередині її, а внутрішня поверхня плазматичної мембрани заряджена негативно, мали б легко дифундувати всередину клітини. Однак швидкість дифузії іонів Na+ через плазматичну мембрану клітини в спокої нижче, ніж іонів К+, який дифундує концентраційним градієнтом з клітини, так як проникність мембрани в умовах спокою для іонів К+ вище, ніж для іонів Na+.

Оскільки вуглеводневі радикали фосфоліпідів, що формують бислой мембрани, мають гідрофобні властивості, то через мембрану можуть легко дифундувати речовини гідрофобної природи, зокрема легко розчиняються в ліпідах (стероїдні, тиреоїдні гормони, деякі наркотичні речовини та ін). Низькомолекулярні речовини гідрофільної природи, мінеральні іони дифундують через пасивні іонні канали мембран, що формуються каналоутворюючими білковими молекулами, і, можливо, через дефекти упаковки в мембрані фосфоліїдних молекул, що виникають і зникають в мембрані в результаті теплових флуктуацій.

Дифузія речовин у тканинах може здійснюватися не тільки через мембрани клітин, а й через інші морфологічні структури, наприклад, зі слини в дентинну тканину зуба через його емаль. При цьому умови для здійснення дифузії залишаються тими ж, що через клітинні мембрани. Наприклад, для дифузії кисню, глюкози, мінеральних іонів зі слини у тканині зуба їх концентрація у слині має перевищувати концентрацію у тканинах зуба.

У нормальних умовах проходити у значних кількостях через фосфоліпідний бішар шляхом простої дифузії можуть неполярні та невеликі за розмірами електронейтральні полярні молекули. Транспорт істотних кількостей інших полярних молекул здійснюється білками-переносниками. Якщо для трансмембранного переходу речовини потрібна участь переносника, то замість терміну «дифузія» часто використовують термін транспорт речовини через мембрану.

Полегшена дифузії, так само, як і проста «дифузія» речовини, здійснюється за градієнтом його концентрації, але на відміну від простої дифузії у перенесенні речовини через мембрану бере участь специфічна білкова молекула - переносник (рис. 2).

Полегшена дифузія- Це вид пасивного перенесення іонів через біологічні мембрани, який здійснюється за градієнтом концентрації за допомогою переносника.

Перенесення речовини за допомогою білка-переносника (транспортера) ґрунтується на здатності цієї білкової молекули вбудовуватися в мембрану, пронизуючи її та формуючи канали, заповнені водою. Переносник може оборотно зв'язуватися з речовиною, що переноситься, і при цьому оборотно змінювати свою конформацію.

Передбачається, що білок-переносник здатний перебувати у двох конформаційних станах. Наприклад, у стані ацей білок має спорідненість із переносимою речовиною, його ділянки для зв'язування речовини повернуті всередину і він формує пору, відкриту до однієї зі сторін мембрани.

Мал. 2. Полегшена дифузія. Опис у тексті

Зв'язавшись із речовиною, білок-переносник змінює свою конформацію та переходить у стан 6 . При цьому конформаційному перетворенні переносник втрачає спорідненість з речовиною, що переноситься, вона вивільняється зі зв'язку з переносником і виявляється переміщеним в пору з іншого боку мембрани. Після цього білок знову здійснює повернення до стану а. Таке перенесення речовини білком-транспортером через мембрану називають уніпортом.

За допомогою полегшеної дифузії можуть транспортуватися такі низькомолекулярні речовини, як глюкоза, з інтерстиціальних просторів у клітини, крові в мозок, реабсорбуватися деякі амінокислоти та глюкоза з первинної сечі в кров у ниркових канальцях, всмоктуватися з кишечника амінокислоти, моносахари. Швидкість транспорту речовин шляхом полегшеної дифузії може досягати 10 8 частинок за секунду через канал.

На відміну від швидкості перенесення речовини простою дифузією, яка прямо пропорційна різниці його концентрацій по обидві сторони мембрани, швидкість перенесення речовини при полегшеній дифузії зростає пропорційно збільшенню різниці концентрацій речовини до деякого максимального значення, вище якого вона не збільшується, незважаючи на підвищення різниці концентрацій речовини обидві сторони мембрани. Досягнення максимальної швидкості (насичення) перенесення в процесі полегшеної дифузії пояснюється тим, що при максимальній швидкості перенесення виявляються залученими всі молекули білків-переносників.

Обмінна дифузія- при цьому виді транспорту речовин може відбуватися обмін молекулами однієї і тієї ж речовини, що знаходяться по різні боки мембрани. Концентрація речовини з боку мембрани залишається у своїй незмінною.

Різновидом обмінної дифузії є обмін молекули однієї речовини однією чи більше молекул іншої речовини. Наприклад, у гладком'язових клітинах судин і бронхів, у скорочувальних міоцитах серця одним із шляхів видалення іонів Са 2+ із клітин є обмін їх на позаклітинні іони Na+. На три іони, що входять Na+ з клітини, видаляється один іон Са 2+ . Створюється взаємозумовлений (сполучений) рух Na+ та Са 2+ через мембрану в протилежних напрямках (цей вид транспорту називають антипортом).Таким чином, клітина звільняється від надмірної кількості іонів Са 2+ , що є необхідною умовою для розслаблення гладких міоцитів або кардіоміоцитів.

Активний транспорт речовин

Активний транспортречовин через - це перенесення речовин проти їх градієнтів, що здійснюється із витратою метаболічної енергії. Цей вид транспорту відрізняється від пасивного тим, що перенесення здійснюється не за градієнтом, а проти градієнтів концентрації речовини і на нього використовується енергія АТФ або інші види енергії, створення яких АТФ витрачалася раніше. Якщо безпосереднім джерелом цієї енергії є АТФ, то таке перенесення називають первинно-активним. Якщо на перенесення використовується енергія (концентраційних, хімічних, електрохімічних градієнтів), раніше запасена за рахунок роботи іонних насосів, що витратили АТФ, такий транспорт називають вторинно-активним, а також сполученим. Прикладом сполученого, вторинно-активного транспорту є абсорбція глюкози в кишечнику та її реабсорбція у нирках за участю іонів Na та переносників GLUT1.

Завдяки активному транспорту можуть долатися сили як концентраційного, а й електричного, електрохімічного та інших градієнтів речовини. Як приклад роботи первинно-активного транспорту можна розглянути роботу Na+-, К+-насоса.

Активне перенесення іонів Na+ і К+ забезпечується білком-ферментом - Na+-, К+-АТФ-азою, здатною розщеплювати АТФ.

Білок Na К-АТФ-аза міститься в цитоплазматичної мембрані практично всіх клітин організму, становлячи 10% і більше загального вмісту білка в клітині. На роботу цього насоса витрачається понад 30% усієї метаболічної енергії клітини. Na + -, К+ -АТФ-аза може бути у двох конформаційних станах — S1 і S2. У стані S1 білок має спорідненість з іоном Na і 3 іона Na приєднуються до трьох високоафінних місць його зв'язування, повернутим всередину клітини. Приєднання іона Na" стимулює АТФ-азну активність, і в результаті гідролізу АТФ Na+-, К+-АТФ-аза фосфорилюється за рахунок перенесення на неї фосфатної групи та здійснює конформаційний перехід зі стану S1 у стан S2 (рис. 3).

Внаслідок зміни просторової структури білка місця зв'язування іонів Na повертаються на зовнішню поверхню мембрани. Афінність місць зв'язування до іонів Na+ різко зменшується, і він, вивільнившись із зв'язку з білком, виявляється перенесеним у позаклітинний простір. У конформаційному стані S2 підвищується афінність центрів Na+-, К-АТФ-ази до іонів До і вони приєднують два іони До з позаклітинного середовища. Приєднання іонів До викликає дефосфорилування білка та його зворотний конформаційний перехід зі стану S2 у стан S1. Разом з поворотом центрів зв'язування на внутрішню поверхню мембрани два іони вивільняються зі зв'язку з переносником і виявляються перенесеними всередину. Подібні цикли перенесення повторюються зі швидкістю, достатньою для підтримки в клітині, що покоїться, неоднакового розподілу іонів Na+ і К+ в клітині і міжклітинному середовищі і, як наслідок, підтримки щодо постійної різниці потенціалів на мембрані збудливих клітин.

Мал. 3. Схематичне представлення роботи Na+-, К+-насоса

Речовина строфантин (оуабаїн), що виділяється з рослини наперстянка, має специфічну здатність блокувати роботу Na + -, К + - насоса. Після його введення в організм в результаті блокади викачування іона Na+ з клітини спостерігаються зниження ефективності роботи Na+-, Са2-обмінного механізму та накопичення в скорочувальних кардіоміоцитах іонів Са2+. Це призводить до посилення скорочення міокарда. Препарат застосовується на лікування недостатності насосної функції серця.

Крім Na"-, К + -АТФ-ази є ще кілька типів транспортних АТФ-аз, або іонних насосів. Серед них насос, що здійснює транспорт прогонів водню (мітохондрії клітин, епітелій ниркових канальців, парієтальні клітини шлунка); кальцієві насоси (пейсмекерні та скоротливі клітини серця, м'язові клітини поперечно-смугастої та гладкої мускулатури) Наприклад, у клітинах скелетних м'язів та міокарда білок Са 2+ -АТФ-аза вбудований у мембрани саркоплазматичного ретикулуму і завдяки його роботі забезпечується підтримання високої концентрації іонів Са 2+ у його внутрішньоклітинних сховищах (цистерни, поздовжні трубочки саркоплазматичного ретикулуму).

У деяких клітинах сили трансмембранної різниці електричних потенціалів та градієнта концентрації натрію, що виникають в результаті роботи Na+-, Са 2+ -насоса, використовуються для здійснення вторинно-активних видів перенесення речовин через клітинну мембрану.

Вторинно-активний транспортхарактеризується тим, що перенесення речовини через мембрану здійснюється за рахунок градієнта концентрації іншої речовини, створеного механізмом активного транспорту з витратою енергії АТФ. Розрізняють два різновиди вдруге активного транспорту: сімпорт та антипорт.

Сімпортомназивають перенесення речовини, який пов'язаний з одночасним перенесенням іншої речовини у тому напрямку. Сімпортним механізмом переносяться йод із позаклітинного простору в тиреоцити щитовидної залози, глюкоза та амінокислоти при їх всмоктуванні з тонкої кишки до ентероцитів.

Антипортомназивають перенесення речовини, яке пов'язане з одночасним перенесенням іншої речовини, але у зворотному напрямку. Прикладом антипортного механізму перенесення є робота згадуваного раніше Na + -, Са 2 + - обмінника в кардіоміоцитах, К + -, Н + - обмінного механізму в епітелії ниркових канальців.

З наведених прикладів видно, що вторинно-активний транспорт здійснюється за рахунок використання сил градієнта іонів Na+ або іонів К+. Іон Na+ або іон До переміщається через мембрану у бік його меншої концентрації та тягне за собою іншу речовину. При цьому зазвичай використовується вбудований мембрану специфічний білок-переносник. Наприклад, транспорт амінокислот і глюкози при їх всмоктуванні з тонкого кишечника в кров відбувається завдяки тому, що білок-переносник мембрани епітелію кишкової стінки зв'язується з амінокислотою (глюкозою) та іоном Na+ і тільки тоді змінює своє положення в мембрані таким чином, що переносить амінокислоту ( глюкозу) та іон Na+ у цитоплазму. Для здійснення такого транспорту необхідно, щоб зовні клітини концентрація іону Na+ була набагато більшою, ніж усередині, що забезпечується постійною роботою Na+, К+-АТФ-ази та витратою метаболічної енергії.