Загрузил azimowa.nargiz

Lektsia Regulyatsia uglevodnogo obmena

реклама
Лекция Регуляция углеводного обмена
Инсулин
Гомеостаз глюкозы регулируется гормонами, которые обладают либо гипергликемическим, либо
гипогликемическим действием. Гормон, понижающий уровень глюкозы в крови, обладающим
гипогликемическим эффектом - инсулин. Гипергликемическим действием, т.е. повышающим
концентрацию глюкозы в крови обладают глюкагон, адреналин, глюкокортикоиды, иодтиронины,
соматотропный гормон. Сложившееся соотношение гормонов с гипо- и гипергликемическим действием
определяется большей опасностью гипогликемии для жизнедеятельности организма.
•Инсулин - простой белок, состоящий из двух пептидных цепей А (21 аминокислота) и В (30
аминокислот), связанных между собой двумя дисульфидными мостиками. Всего в зрелом инсулине
человека 51 аминокислота и его молекулярная масса равна 5,7 кДа.
Инсулин синтезируется в β-клетках поджелудочной железы в виде препроинсулина, на N-конце которого
находится сигнальная последовательность из 23 аминокислот,
служащая проводником молекулы в
полость эндоплазматической сети. Здесь концевая последовательность отщепляется и проинсулин
транспортируется в аппарат Гольджи. На данном этапе в молекуле проинсулина присутствуют А-цепь, Вцепь и С-пептид (англ. connecting – связующий).
В аппарате Гольджи проинсулин упаковывается в секреторные гранулы. По мере перемещения гранул к
плазматической мембране образуются дисульфидные мостики, вырезается связующий С-пептид (31
аминокислота) и формируется готовая молекула инсулина. В готовых гранулах инсулин находится в
кристаллическом состоянии в виде гексамера, образуемого с участием двух ионов Zn2+.Накопление
инсулина в секреторных гранулах позволяет клетке реагировать на стимуляцию глюкозой
пропорционально ее концентрации в крови.
Секреция инсулина происходит постоянно, и около 50% инсулина, высвобождаемого из β-клеток, никак
не связано с приемом пищи или иными влияниями. В течение суток поджелудочная железа выделяет
примерно 1/5 от запасов имеющегося в ней инсулина.
Главный стимулятор секреции инсулина -повышение концентрации глюкозы в крови выше 5,5 ммоль/л,
максимума секреция инсулина достигает при 17-28 ммоль/л. В секреции инсулина выделяют две фазы.
Первая фаза длится 5-10 минут и концентрация гормона может 10-кратно возрастать, после чего его
количество понижается. Эта фаза характеризуется пиковым выбросом около 5-7% внутриостровкового
содержания инсулина, связана с пулом немедленного реагирования. Его обеспечивают гранулы,
прилегающие к мембране β -клетки. У больных сахарным диабетом 2 типа нарушена ранняя фаза
секреции. Это нарушение секреции инсулина принято считать метаболическим маркером развития
заболевания.
Вторая фаза начинается примерно через 15 минут от начала гипергликемии и продолжается на
протяжении всего ее периода, приводя к увеличению уровня гормона в 15-25 раз. Во вторую фазу
секреция инсулина происходит постепенно, составляет 93-95% запасов инсулина.
Поступившая в бета-клетку глюкоза подвергается окислению с образованием АТФ, накопление
которого закрывает калиевые каналы и деполяризует мембраны. Деполяризация мембраны вызывает
открытие кальциевых каналов, повышению концентрации кальция в клетке. Дополнительно этому
способствует активация образования инозитолтрифосфата, который также активирует кальциевые
АТФазы на цистернах эндоплазматического ретикулума. Кальций стимулирует передвижение
секреторных гранул к мембране, слиянию и экзоцитозу гранул.
Из аминокислот на секрецию гормона наиболее значительно влияют лизин и аргинин. Но сами по себе
они почти не стимулируют секрецию, их эффект зависит от наличия гипергликемии, т.е. аминокислоты
только потенцируют действие глюкозы.
Секреция инсулина активируется под действием гормонов желудочно-кишечного тракта
холецистокинина,
секретина,
гастрина,
желудочного ингибирующего полипептида.
Нервная регуляция β-клеток поджелудочной железы включает адренергическую и холинергическую
регуляцию. Любые стрессы (эмоциональные и/или физические нагрузки, гипоксия, переохлаждение,
травмы, ожоги) повышают активность симпатической нервной системы и подавляют секрецию инсулина
за счет активации α2-адренорецепторов. С другой стороны, стимуляция β2-адренорецепторов приводит
к усилению секреции.
Из β-клеток инсулин поступает в кровь. В крови он содержится в двух формах, т.е. может быть
свободным и связанным с белками. Свободный действует на все чувствительные к инсулину ткани
(печень, мышцы, жировую и соединительную ткани), а связанный – только на жировую ткань, способную
освобождать инсулин из связи с белком. В меньшей степени чувствительна к инсулину ткань печени, и
совсем нечувствительна нервная ткань (чувствительность к инсулину определяется числом
специфических мембранных рецепторов). Между содержанием свободного и связанного инсулина
существует динамическое равновесие: при повышенной потребности организма в инсулине (например,
после сладкой пищи) увеличивается количество свободной фракции и уменьшается содержание
связанного инсулина, а натощак преобладает связанный инсулин.
Рецепторы инсулина находятся практически на всех клетках организма, кроме нервных, но в разном
количестве. Нервные клетки не имеют рецепторов к инсулину, т.к. последний просто не проникает через
гематоэнцефалический барьер.
Наибольшая концентрация рецепторов наблюдается на мембране гепатоцитов (100-200 тыс на клетку) и
адипоцитов (около 50 тыс на клетку), клетка скелетной мышцы имеет около 10 тысяч рецепторов, а
эритроциты - только 40 рецепторов на клетку.
После связывания инсулина с рецептором активируется ферментативный домен рецептора. Так как он
обладает тирозинкиназной активностью, то фосфорилирует внутриклеточные белки - субстраты
инсулинового рецептора. Дальнейшее развитие событий обусловлено двумя направлениями: MAPкиназный путь и ФИ-3-киназный механизмы действия.
При активации фосфатидилинозитол-3-киназного механизма результатом являются быстрые
эффекты – активация ГлюТ-4 и поступление глюкозы в клетку, изменение активности "метаболических"
ферментов – ТАГ-липазы, гликогенсинтазы, гликогенфосфорилазы, киназы гликогенфосфорилазы, ацетилSКоА-карбоксилазы и других.
При реализации MAP-киназного механизма (англ - mitogen-activated protein) регулируются медленные
эффекты – пролиферация и дифференцировка клеток, процессы апоптоза и антиапоптоза.
Биологические эффекты инсулина подразделяются по скорости развития:
Очень быстрые эффекты (секунды)
Эти эффекты связаны с изменением трансмембранных транспортеров
Активации Na+/K+-АТФазы, Na+/H+-обменника
Ca2+-АТФазы
Выход на мембрану миоцитов и адипоцитов переносчиков глюкозы ГлюТ-4 и увеличение в 20-50 раз
объема транспорта глюкозы в клетку.
Быстрые эффекты (минуты).
Быстрые эффекты заключаются в изменении
скоростей фосфорилирования и дефосфорилирования метаболических ферментов и регуляторных
белков.
Печень
торможение эффектов адреналина и глюкагона (фосфодиэстераза),
ускорение гликогеногенеза (гликогенсинтаза),
активация гликолиза (фосфофруктокиназа, пируваткиназа),
превращение пирувата в ацетил-SКоА (ПВК-дегидрогеназа),
усиление синтеза жирных кислот (ацетил-SКоА-карбоксилаза),
формирование ЛПОНП,
повышение синтеза холестерина (ГМГ-SКоА-редуктаза
Мышцы
торможение эффектов адреналина (фосфодиэстераза),
стимулирует транспорт глюкозы в клетки (активация ГлюТ-4),
стимуляция гликогеногенеза (гликогенсинтаза),
активация гликолиза (фосфофруктокиназа, пируваткиназа),
превращение пирувата в ацетил-SКоА (ПВК-дегидрогеназа),
усиливает транспорт нейтральных аминокислот в мышцы,
стимулирует трансляцию (рибосомальный синтез белков).
Жировая ткань
•стимулирует транспорт глюкозы в клетки (активация Глют-4),
•активирует запасание жирных кислот в тканях (липопротеинлипаза),
•активация гликолиза (фосфофруктокиназа, пируваткиназа),
•усиление синтеза жирных кислот (активация ацетил-SКоА-карбоксилазы),
•создание возможности для запасания ТАГ (инактивация гормон-чувствительной-липазы).
Медленные эффекты (минуты-часы)
Медленные эффекты заключаются в изменении скорости транскрипции генов белков, отвечающих за
обмен веществ, за рост и деление клеток, например:
1. Индукция синтеза ферментов в печени
глюкокиназы и пируваткиназы (гликолиз),
АТФ-цитрат-лиазы, ацетил-SКоА-карбоксилазы, синтазы жирных кислот, цитозольной
малатдегидрогеназы (синтез жирных кислот),
глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (пентозофосфатный путь).
2. Индукция в адипоцитах синтеза глицеральдегидфосфат-дегидрогеназы и синтазы жирных кислот.
3. Репрессия синтеза мРНК, например, для ФЕП-карбоксикиназы (глюконеогенез).
4. Обеспечивает процессы трансляции, повышая фосфорилирование по серину рибосомального белка
S6.
Вместе с инсулином в кровь поступают проинсулин и С-пептид. Проинсулин реагирует со всеми
инсулинчувствительными тканями, но биологическая активность его значительно меньше, чем у
инсулина. В норме содержание проинсулина в периферической крови составляет не более 20% от
общего инсулина, а в патологических условиях количество проинсулина и С-пептида может значительно
возрастать. Соответственно, снижается биологический эффект инсулина. Инсулин и С-пептид
секретируются в кровь в эквимолярных количествах. Поскольку лечебные препараты инсулина не
содержат С-пептид, определение его в сыворотке крови позволяет оценить функцию β-клеток
поджелудочной железы у больных сахарным диабетом, получающих инсулин.
ГЛЮТы
Потребление клетками глюкозы из кровотока происходит путем облегченной диффузии при участии
специальных белков-транспортеров (ГЛЮТов). Следовательно, скорость трансмембранного потока
глюкозы зависит только от градиента ее концентрации. Исключением являются клетки мышц и жировой
ткани, где облегченная диффузия регулируется инсулином. В отсутствие инсулина плазматическая
мембрана этих клеток непроницаема для глюкозы, так как в ней нет белков-переносчиков для глюкозы
(ГЛЮТов).
ГЛЮТы обнаружены во всех тканях. Существует несколько разновидностей ГЛЮТов, которые
пронумерованы по порядку их обнаружения. Все пять типов ГЛЮТов имеют сходную первичную
структуру.
ГЛЮТ-1 служит для обеспечения стабильного потока глюкозы в мозг. В других тканях (плаценте, почках,
толстой кишке) он поставляет глюкозу в клетки, когда они находятся в состоянии покоя.
ГЛЮТ-2 обнаружен в клетках органов, выделяющих глюкозу в кровь (печень, b-клетки островков
Лангерганса). При участии ГЛЮТ-2 глюкоза переходит в кровь из энтероцита после ее всасывания в
кишечник.
ГЛЮТ-3 обладает большим, чем ГЛЮТ-1, сродством к глюкозе. Он также обеспечивает постоянный
приток глюкозы к клеткам нервной системы, плаценте, почкам.
ГЛЮТ-4 – главный переносчик глюкозы в мышцах и адипоцитах.
ГЛЮТ-5 встречается главным образом в клетках тонкой кишки. Возможно, является переносчиком
фруктозы.
Все типы ГЛЮТов могут находиться как в плазматической мембране, так и в цитозольных везикулах. В
отсутствие инсулина ГЛЮТ-4 (и, в меньшей степени, ГЛЮТ-1) почти полностью находится в цитоплазме.
Влияние инсулина на такие клетки приводит к перемещению везикул, содержащих ГЛЮТы, к
плазматической мембране и их слиянию с ней, после чего возможен активный транспорт глюкозы в эти
клетки. После снижения концентрации инсулина в крови белки-транспортеры глюкозы снова
перемещаются в цитозоль.
В клетки печени глюкоза поступает при участии ГЛЮТа-2, который сохраняет свою локализацию в
мембране независимо от инсулина.
Гормоны, которые повышают содержание глюкозы в крови, называются контринсулярными. Это
адреналин, глюкагон, глюкокортикоиды, соматотропин и др.
Адреналин
Влияние адреналина на углеводный обмен реализуется через α- и β-рецепторы (БР).
Влияние адреналина на углеводный обмен через β-белки-рецепторы. Адреналин обладает
мембранно-внутриклеточным механизмом действия. Он связывается с β-белками-рецепторами, которые
находятся на внешней стороне цитоплазматической мембраны.
Образование комплекса адреналин – белок-рецептор приводит к активации аденилатциклазы, которая
находится на внутренней стороне мембраны. Под действием аденилатциклазы происходит образование
циклической АМФ (цАМФ) из АТФ. цАМФ по аллостерическому типу активирует протеинкиназу.
Последняя активирует киназу фосфорилазы путем фосфорилирования, а та, в свою очередь, активирует
гликогенфосфорилазу также путем фосфорилирования. Гликогенфосфорилаза
катализирует фосфоролитическую атаку гликозидных связей в молекуле гликогена, в результате которой
происходит отщепление глюкозного остатка в виде глюкозо-1-фосфата. Глюкозо-1-фосфат подвергается
изомеризации с образованием глюкозо-6-фосфата, который в печени под действием глюкозо-6фосфатазы превращается в свободную глюкозу, поступающую в кровь. Другим вариантом
использования глюкозо-6-фосфата является распад ради энергии.
При распаде гликогена в мышечных клетках при гидролизе α1-6 гликозидных связей образуется
небольшое количество (около 10%) свободной глюкозы. Однако, из-за отсутствия в
мембранах соответствующего ГЛЮТа она не может покинуть клетку.
Влияние адреналина на углеводный обмен в ядре реализуется также через внутриклеточный посредник
гормонального действия, т.е. через цАМФ, который проникает в ядро из цитоплазмы. цАМФ активирует
ядерную протеинкиназу, которая активирует ядерный белок путем фосфорилирования, регулирующий
экспрессию генов, кодирующих ключевые ферменты глюконеогенеза (пируваткарбоксилаза,
фосфоенолпируваткарбоксикиназа, фруктозо-1,6-дифосфатаза и глюкозо-6-фосфатаза), т.е. усиливает
таким образом активность глюконеогенеза.
Влияние адреналина на углеводный обмен через α-белки-рецепторы.
Взаимодействие адреналина с α-рецепторами приводит к активации мембранной фосфолипазы С (ФЛС),
которая катализирует образование инозитолтрифосфата (ИТФ) и диацилглицерола (ДГ) из
фосфоинозитолдифосфата (ФИДФ) (рис. 2). ИТФ способствует высвобождению ионов Са2+ из
митохондрий и цистерн эндоплазматического ретикулума (ЭПР). Кальций далее активирует кальмодулин
и протеинкиназу С. Кальмодулин, в свою очередь, активирует киназу фосфорилазы (КФ), а она
ингибирует гликогенсинтазу и активирует гликогенфосфорилазу. Другой продукт гидролиза ФИДФ –
диацилглицерол активирует мембранную протеинкиназу С (ПКС), которая путем фосфорилирования
ингибирует гликогенсинтазу.
Таким образом, адреналин повышает содержание глюкозы в крови за счет стимуляции фосфоролиза
гликогена печени, а в более поздние сроки и активации глюконеогенеза. Повышенная секреция
адреналина происходит при понижении содержания глюкозы в крови, а также при состоянии
симпатического напряжения организма.
Глюкагон обладает мембранно-внутриклеточным механизмом действия и подобно адреналину,
действующему через β-белки-рецепторы, стимулирует мобилизацию гликогена в клетках печени.
Глюкокортикоиды – стероидные гормоны, вырабатываемые в коре надпочечников. Они обладают
цитозольным механизмом действия. Будучи стероидами, проходят цитоплазматическую мембрану
клеток-мишеней (печень), в цитозоле соединяются с цитоплазматическим рецептором, в виде такого
комплекса проходят в ядро, где регулируют экспрессию генов и способствуют синтезу ключевых
ферментов глюконеогенеза. Глюкокортикоиды повышают содержание глюкозы в крови за счет
стимуляции глюконеогенеза. Гиперпродукция глюкокортикоидов приводит к гипергликемии, глюкозурии
– синдром Иценко – Кушинга («стероидный
Глюкозурия – это выделение глюкозы в моче. В норме глюкоза в моче отсутствует. Причиной глюкозурии
может быть гипергликемия или нарушение реабсорбции глюкозы в почечных канальцах.
Когда содержание глюкозы в крови достигает относительно высокого уровня, в процесс регуляции ее
гомеостаза включаются и почки. Глюкоза фильтруется почечными клубочками и обычно полностью
возвращается в кровь в результате реабсорбции (обратного всасывания) в почечных канальцах. Процесс
реабсорбции глюкозы связан с расходованием АТФ в клетках почечных канальцев. Максимальная
скорость реабсорбции глюкозы в почечных канальцах около 350 мг ∙ мин –1. При повышенном
содержании глюкозы в крови клубочковый фильтрат содержит больше глюкозы, чем может быть
реабсорбировано в канальцах. Избыток глюкозы выводится с мочой, т.е. возникает глюкозурия. У
здоровых людей глюкозурия наблюдается в том случае, если содержание глюкозы в венозной крови
превышает 9,3–9,9 ммоль/л; этот уровень называют почечным порогом для глюкозы. Глюкозурия часто
является указанием на заболевание сахарным диабетом.
У подопытных животных можно вызвать глюкозурию с помощью флоридзина, ингибирующего
реабсорбцию глюкозы в почечных канальцах. Такую глюкозурию, обусловленную нарушением
реабсорбции глюкозы, называют почечной глюкозурией. Причиной почечной глюкозурии может быть
наследственный дефект почек, или же она может развиться в результате ряда заболеваний. В данном
случае глюкозурия сочетается с нормальной или даже пониженной концентрацией глюкозы в крови.
Нарушения при сахарном диабете
Сахарный диабет – одна из самых распространенных болезней: в мире насчитывается около 30 млн.
больных диабетом. В основе болезни лежит нарушение регуляции обмена углеводов инсулином. При
некоторых формах диабета синтез инсулина снижен и его концентрация в крови в несколько раз
меньше, чем в норме. Такие формы поддаются лечению инсулином: это так называемый
инсулинозависимый диабет, или диабет I типа. Есть формы, когда содержание инсулина в крови
нормально, – инсулинонезависимый диабет, или диабет II типа; очевидно, в этих случаях имеются
нарушения не синтеза инсулина, а других звеньев инсулиновой регуляции, например взаимодействия с
рецепторами. Все формы проявляются как недостаточность инсулина.
Рассмотрим биохимические механизмы развития основных признаков нарушения углеводного обмена
при сахарном диабете.
1. Гипергликемия развивается как результат следующих нарушений:
нарушение проницаемости плазматических мембран инсулинозависимых клеток для глюкозы;
усиление контринсулярными гормонами мобилизации гликогена, опустошение гликогеновых депо;
усиление контринсулярными гормонами образования глюкозы по пути глюконеогенеза.
2. Глюкозурия. Когда концентрация глюкозы в крови превышает почечный порог, глюкоза начинает
выделяться с мочой. При сахарном диабете за сутки с мочой может выводиться больше 100 г глюкозы.
Именно глюкозурия послужила основанием для названия болезни – diabetes mellitus (от лат. diabetes –
прохожу через, melle – мед). Название возникло в те времена, когда врачи, анализируя мочу, пробовали
ее на вкус.
3. Образование глюкозилированного гемоглобина. Белки при инкубации в растворе глюкозы могут
неферментативно глюкозилироваться: остатки глюкозы присоединяются к свободным аминогруппам
белков. Эта реакция происходит и в организме. При нормальной концентрации глюкозы ее скорость
невелика, а, поскольку белки постоянно обновляются, глюкозилированные белки не накапливаются. При
диабете вследствие гипергликемии скорость глюкозилирования увеличивается. Например, у здоровых
людей глюкозилировано более 5% всего гемоглобина, а у больных диабетом – в 2–3 раза больше.
Глюкозилирование изменяет свойства белков и нарушает их функции.
4. Образование сорбитола. В некоторых клетках при сахарном диабете из глюкозы образуется
шестиатомный спирт сорбитол. Сорбитол плохо проникает через клеточные мембраны, его накопление
приводит к осмотическому набуханию клеток и нарушению их функций .
Лактацидоз - смещение рН крови в кислую сторону, вызванное накоплением лактата Повышение
содержания лактата в крови является следствием нарушения соотношения процессов образования и
утилизации лактата.
При тканевой гипоксии во внепеченочных клетках снижается скорость окислительного
декарбоксилирования пирувата. В этих условиях происходит увеличение количества восстановленных
НАД вследствие чего равновесие реакции пируват → лактат смещается в сторону образования лактата.
Кроме того, главным путем утилизации, образовавшегося во внепеченочных тканях лактата (например в
эритроцитах) является глюконеогенез. Для вступления на этот путь лактат должен окислиться до
пирувата. Протекание этой реакции возможно при условии, что лактатдегидрогеназа содержит в
качестве кофермента окисленную форму НАД. Поэтому все причины, вызывающие увеличение
количества восстановленных форм НАД будут тормозить вступление лактата на путь глюконеогенеза и
способствовать накоплению его в крови. Возникновению лактатацидоза также способствует нарушение
глюконеогенеза при печеночной недостаточности.
Итак, причинами накопления лактата и развития лактатацидоза могут быть:
нарушение доставки или утилизации кислорода тканями (сердечная или дыхательная недостаточность
, шок, тяжелая анемия , дефекты митохондриальных ферментов или ингибирование ферментов
митохондриальных электронтранспортных цепей (ротенон , аминазин, окись углерода и т.д.)
избыточное образование лактата или недостаточная утилизация лактата (эпилептические припадки,
сахарный диабет, алкогольная интоксикация, печеночная недостаточность, злокачественные
новообразования, отравление салицилатами), повреждения печени (токсические дистрофии, цирроз и
др.), гиповитаминоз В1;
нарушение использования лактата вследствие наследственных дефектов ферментов глюконеогенеза,
недостаточности глюкозо-6-фосфатазы;
применение ряда лекарственных препаратов, например бигуанидов (блокаторов глюконеогенеза,
используемых при лечении сахарного диабета).
Скачать