КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ОБЩЕЙ БИОХИМИИ
ГОУВПО УГМА Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию
Кафедра биохимии
КУРС ЛЕКЦИЙ
ПО ОБЩЕЙ БИОХИМИИ
Модуль 3. Биохимия углеводов
Автор: к.б.н., доцент кафедры биохимии Гаврилов И.В.
Екатеринбург,
2009г
ЛЕКЦИЯ № 7
Факультеты: лечебно-профилактический, медико-профилактический, педиатрический. 2 курс.Нарушение переваривания и всасывания углеводов
1). Наследственные и приобретенные дефекты ферментов, участвующих в переваривании. Известны наследственные дефекты лактазы, α-амилазы,… Приобретённые нарушения переваривания могут наблюдаться при кишечных… Дефицит лактазы у взрослых людей может быть связан со снижением экспрессии гена лактазы, что проявляться…Метаболизм моносахаридов в клетке
После всасывания в кишечнике глюкоза и другие моносахариды поступают в воротную вену и далее в печень. Моносахариды в печени превращаются в глюкозу или продукты её метаболизма. Часть глюкозы в печени депонируется в виде гликогена, часть идет на синтез новых веществ, а часть через кровоток, направляется в другие органы и ткани. При этом печень поддерживает концентрацию глюкозы в крови на уровне 3,3-5,5 ммоль/л.
Фосфорилирование и дефосфорилирование моносахаридов
Гексокиназа II фосфорилирует D-глюкозу, и с меньшей скоростью, другие гексозы. Обладая высоким сродством к глюкозе (Кm <0,1 ммоль/л), гексокиназа… Глюкокиназа (гексокиназа IV) имеет низкое сродство к глюкозе (Кm - 10… Глюкозо-6-фосфатаза катализирует необратимое отщепление фосфатной группы гидролитическим путём в ЭПР: Глюкозо-6-ф +…Метаболизм глюкозо-6-фосфата
Глюкозо-6-ф может использоваться клетке в различных превращениях, основными из которых являются: катаболизм с образованием АТФ, синтез гликогена, липидов, пентоз, полисахаридов и аминокислот.
МЕТАБОЛИЗМ ГЛИКОГЕНА
Многие ткани в качестве резервной формы глюкозы синтезируют гликоген. Синтез и распад гликогена в печени поддерживают гомеостаз глюкозы в крови.
Гликоген — разветвлённый гомополисахарид глюкозы с массой >107Да (50000 остатков глюкозы), в котором остатки глюкозы соединены в линейных участках α-1,4-гликозидной связью. В точках ветвления, примерно через каждые 10 остатков глюкозы, мономеры соединены α-1,6-гликозидными связями. Гликоген, водонерастворим, хранится в цитозоле клетки в форме гранул диаметром 10-40 нм. Гликоген депонируется главным образом в печени (до 5%) и скелетных мышцах (до 1%). В организме может содержаться от 0 до 450 г гликогена.
Разветвлённая структура гликогена способствует работе ферментов, отщепляющих или присоединяющих мономеры.
Синтез гликогена (гликогеногенез)
Распад гликогена (гликогенолиз)
Гликогенфосфорилаза состоит из 2 идентичных субъединиц (94500 Да). Неактивная… Гликогенфосфорилаза расщепляет фосфоролизом α-1,4-гликозидные связи, до тех пор, пока до точки ветвления не…Регуляция метаболизма гликогена в печени
Регуляция метаболизма гликогена в мышцах
Метаболизм гликогена контролируется гормонами (в печени - инсулином,… При недостаточном уровне глюкозы в крови выделяется гормон глюкагон, в крайних случаях – адреналин. Они стимулируют…Нарушения обмена гликогена
Гликогенозы — заболевания, обусловленные дефектом ферментов, участвующих в распаде гликогена. Они проявляются или необычной структурой гликогена,… В настоящее время гликогенозы делят на 2 группы: печёночные и мышечные. Печёночные формы гликогенозов ведут к нарушению использования гликогена для поддержания уровня глюкозы в крови.…Агликогенозы
Агликогеноз (гликогеноз 0 по классификации) — заболевание, возникающее в результате дефекта гликогенсинтазы. В печени и других тканях больных наблюдают очень низкое содержание гликогена. Это проявляется резко выраженной гипогликемией в постабсорбтивном периоде. Характерный симптом — судороги, проявляющиеся особенно по утрам. Болезнь совместима с жизнью, но больные дети нуждаются в частом кормлении.
ЛЕКЦИЯ № 8
Тема: Катаболизм глюкозы. Гликолиз
Основные пути катаболизма глюкозы
Катаболизм глюкозы в клетке может проходить как в аэробных, так и в анаэробных условиях, его основная функция - это синтез АТФ.
Аэробное окисление глюкозы
С6Н12О6 + 6О2 → 6СО2+ 6Н2О + 2880 кДж/моль. Этот процесс включает несколько стадий: 1. Аэробный гликолиз. В нем происходит окисления 1 глюкозы до 2 ПВК, с образованием 2 АТФ (сначала 2 АТФ…Анаэробное окисление глюкозы
Катаболизм глюкозы без О2 идет в анаэробном гликолизе и ПФШ (ПФП).
· В ходе анаэробного гликолиза происходит окисления 1 глюкозы до 2 молекул молочной кислоты с образованием 2 АТФ (сначала 2 АТФ затрачиваются, затем 4 образуются). В анаэробных условиях гликолиз является единственным источником энергии. Суммарное уравнение: С6Н12О6 + 2Н3РО4 + 2АДФ → 2С3Н6О3 + 2АТФ + 2Н2О.
· В ходе ПФП из глюкозы образуются пентозы и НАДФН2. В ходе ПФШ из глюкозы образуются только НАДФН2.
ГЛИКОЛИЗ
Гликолиз – главный путь катаболизма глюкозы (а также фруктозы и галактозы). Все его реакции протекают в цитозоле.
Аэробный гликолиз - это процесс окисления глюкозы до ПВК, протекающий в присутствии О2.
Анаэробный гликолиз – это процесс окисления глюкозы до лактата, протекающий в отсутствии О2.
Анаэробный гликолиз отличается от аэробного только наличием последней 11 реакции, первые 10 реакций у них общие.
Этапы гликолиза
В любом гликолизе можно выделить 2 этапа:
- 1 этап подготовительный, в нем затрачивается 2 АТФ. Глюкоза фосфорилируется и расщепляется на 2 фосфотриозы;
- 2 этап, сопряжён с синтезом АТФ. На этом этапе фосфотриозы превращаются в ПВК. Энергия этого этапа используется для синтеза 4 АТФ и восстановления 2НАДН2, которые в аэробных условиях идут на синтез 6 АТФ, а в анаэробных условиях восстанавливают ПВК до лактата.
Энергетический баланс гликолиза
Таким образом, энергетический баланс аэробного гликолиза:
8АТФ = -2АТФ + 4АТФ + 6АТФ (из 2НАДН2)
Энергетический баланс анаэробного гликолиза:
2АТФ = -2АТФ + 4АТФ
Общие реакции аэробного и анаэробного гликолиза
Глюкокиназа (гексокиназа IV, АТФ: глюкозо-6-фосфотрансфераза) фосфорилирует глюкозу. Кm - 10 ммоль/л, активна в печени, почках. Не ингибируется… 2. Фосфогексозоизомераза (глюкозо-6ф-фруктозо-6ф-изомераза) осуществляет альдо-кетоизомеризацию открытых форм…Реакция анаэробного гликолиза
В анаэробных условиях ПВК, подобно О2 в дыхательной цепи, обеспечивает регенерацию НАД+ из НАДН2, что необходимо для продолжения реакций гликолиза. ПВК при этом превращается в молочную кислоту. Реакция протекает в цитоплазме с участием лактатдегидрогеназы (ЛДГ).
11.Лактатдегидрогеназа (лактат: НАД+ оксидоредуктаза). Стоит из 4 субъединиц, имеет 5 изоформ.
Лактат не является конечным продуктом метаболизма, удаляемым из организма. Из анаэробной ткани лактат переноситься кровью в печень, где превращаясь в глюкозу (Цикл Кори), или в аэробные ткани (миокард), где превращается в ПВК и окисляется до СО2 и Н2О.
Катаболизм ПВК в митохондриях
1. Пируватдегидрогеназный комплекс (ПВК: НАД+ оксидорудуктаза (декарбоксилирующая)) содержит 3 фермента и 5 коферментов: а) Пируватдекарбоксилаза… Механизм работы Пируват ДГ комплекса. Процесс проходит 5 стадий:Челночные системы
Так как внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для НАДН2, восстановленный в гликолизе НАДН2, передает свои водороды на дыхательную цепь… 1. Малат-аспартатный челнок является универсальным, работает в печени, почках,… 2.Пластическое значение катаболизма глюкозы
При катаболизме глюкоза может выполнять пластические функции. Метаболиты гликолиза используются для синтеза новых соединений. Так, фруктозо-6ф и 3-ФГА участвуют в образовании рибозо-5-ф (компонент нуклеотидов); 3-фосфоглицерат может включаться в синтез аминокислот, таких как серии, глицин, цистеин. В печени и жировой ткани Ацетил-КоА используется при биосинтезе жирных кислот, холестерина, а ДАФ для синтеза глицерол-3ф.
Регуляция гликолиза
Эффекта Пастера объясняется наличием конкуренции между ферментами аэробного (ПВК ДГ, ПВК карбоксилаза, ферменты цепи окислительного… · Без О2 митохондрии не потребляют ПВК и НАДН2, в результате их концентрация… · В присутствии О2, митохондрии выкачивают ПВК и НАДН2 из цитоплазмы, прерывая реакцию образования лактата. При…МЕТАБОЛИЗМ ФРУКТОЗЫ И ГАЛАКТОЗЫ
Фруктоза и галактоза наряду с глюкозой используются для получения энергии или синтеза веществ: гликогена, ТГ, ГАГ, лактозы и др.
Метаболизм фруктозы
Метаболизм фруктозы в клетке начинается с реакции фосфорилирования: 1. Фруктокиназа (АТФ: фруктоза-1-фосфотрансфераза) фосфорилирует только…Нарушения метаболизма фруктозы
Доброкачественная эссенциальная фруктозурия связана с недостаточностью фруктокиназы, клинически не проявляется. Фруктоза накапливается в крови и… Наследственная непереносимость фруктозы частая патология, возникает при… Результатом торможения гликогенолиза и гликолиза является снижение синтеза АТФ. Кроме того, накопление…Метаболизм галактозы
Галактоза образуется в кишечнике в результате гидролиза лактозы. Превращение галактозы в глюкозу происходит в печени в реакции эпимеризации в виде УДФ-производного.
Галактокиназа (АТФ: галактозо-1-фосфотрансфераза) фосфорилирует галактозу.
Галактозо-1ф-уридилтрансфераза замещает галактозой остаток глюкозы в УДФ-глюкозе с образованием УДФ-галактозы.
Эпимераза (УДФ-галактозо-УДФ-глюкозо-изомераза) — НАД-зависимый фермент, катализирует эпимеризацию ОН группы по С4 углеродному атому, обеспечивая взаимопревращения галактозы и глюкозы в составе УДФ.
Образованная глюкозо-1-ф может включаться в: 1) синтез гликогена; 2) превращение в свободную глюкозу; 3) катаболизм, сопряжённый с синтезом АТФ, и т.д.
Нарушения метаболизма галактозы
Галактоземия, вызванная недостаточностью галактозо-1-фосфатуридилтрансферазы (ГАЛТ) имеет несколько форм, проявляется рано, и особенно опасна для… Галактозо-1ф оказывает токсическое действие на гепатоциты: возникают… Некоторые дефекты в строении ГАЛТ приводят лишь к частичной потере активности фермента. Поскольку в норме ГАЛТ…Педфак. Особенности катаболизма моносахаридов у новорожденных и детей
У детей активен УДФ-глюкоза ↔ УДФ-галактоза путь. У взрослых этот путь неактивен. У новорожденных низкая активность ПФШ. При рождении у ребенка происходит переключение катаболизма глюкозы с анаэробного на аэробный путь. Вначале преобладает использование липидов.
ЛЕКЦИЯ № 9
Тема: Пентозофосфатный шунт и глюконеогенез,
Регуляция углеводного обмена.
Факультеты: лечебно-профилактический, медико-профилактический, педиатрический. 2 курс.
Глюконеогенез (ГНГ)
Глюконеогенез – синтез глюкозы из веществ неуглеводной природы. Его основной функцией является поддержание уровня глюкозы в крови в период длительного голодания и интенсивных физических нагрузок. Основными субстратами глюконеогенеза являются лактат, глицерол, аминокислоты. Глюконеогенез является обратным процессом гликолиза, который протекает в цитоплазме и матриксе митохондрий. Необратимые реакции гликолиза (1, 3 и 10), катализируемые гексокиназами, фруктокиназами и пируваткиназами обходятся с участием 4 специфических ферментов глюконеогенеза: пируваткарбоксилазы, фосфоенолпируват-карбоксикиназы, фруктозо-1,6-фосфотазы и глюкозо-6-фосфотазы. Кроме того, в глюконеогенезе участвуют ферменты ЦТК, например, малат ДГ.
Реакции глюконеогенеза представлены на схеме. Ключевые (необратимые) реакции глюконеогенеза:
1. Пируваткарбоксилаза (ПВК: СО2-синтетаза (АТФ→АДФ+Фн)) содержит биотин, находиться в митохондриях, превращает ПВК в ЩУК. Индуктор: глюкагон, адреналин, кортизол. Репрессор: инсулин. Ингибитор: АМФ, активатор АцетилКоА. Образующийся ЩУК проходит внутреннюю мембрану митохондрий в своей восстановленной (в виде малата) или аминоформе (в виде аспартата).
2. Фосфоенолпируваткарбоксикиназа (ГТФ: ЩУК-2-фосфотрансфераза (декарбоксили-рующая)) находиться в цитоплазме, превращает ЩУК в ФЕП. Индуктор: глюкагон, адреналин, кортизол. Репрессор: инсулин.
3. Фруктозо-1,6-фосфотаза (Фруктозо-1,6дф: фосфо-гидролаза) дефосфорилирует фруктозо-1,6дф. Индуктор: глюкагон, адреналин, кортизол. Репрессор: инсулин. Ингибирует АМФ, фруктозо-2,6дф. Активатор: цитрат, жирные кислоты.
4. Глюкозо-6-фосфотаза (Глюкозо-6ф: фосфо-гидролаза) дефосфорилирует глюкозо-6ф. Индуктор: глюкагон, адреналин, кортизол. Репрессор: инсулин.
Энергетический баланс глюконеогенеза. На образование 1 глюкозы из 2 лактатов требуется 6 АТФ: 2 АТФ для пируваткарбоксилазы, 2 ГТФ для ФЕПкарбоксикиназы, 2 АТФ для фосфоглицераткиназы. Обще уравнение глюконеогенеза:
2 лактат + 4 АТФ + 2 ГТФ + 4 Н2О → 1 глюкоза + 4 АДФ + 2 ГДФ + 6 Фн
Регуляция глюконеогенеза. Регуляция глюконеогенеза осуществляется реципрокно с реакциями гликолиза: активация глюконеогенеза, сопровождается ингибированием гликолиза и наоборот. Регуляция обмена глюкозы происходит с участием гормонов и метаболитов, которые изменяют активность и количество регуляторных ферментов гликолиза и глюконеогенеза. Инсулин индуцирует синтез ключевых ферментов гликолиза и репрессирует синтез ключевых ферментов глюконеогенеза. Глюкагон, кортизол и адреналин индуцирует синтез ключевых ферментов глюконеогенеза. Ключевые ферменты гликолиза активируют – АМФ, фруктозо-2,6дф, фруктозо-1,6дф, ингибируют – АТФ, НАДН2, цитрат, жирные кислоты, аланин, АцетилКоА, глюкагон, адреналин. Ключевые ферменты глюконеогенеза активируют – АцетилКоА, глюкагон, ингибируют – АМФ, фруктозо-2,6дф.
Тканевые особенности глюконеогенеза.В большинстве тканей глюконеогенеза нет.
Наибольшая активность глюконеогенеза отмечается в печени, меньше в почках и слизистой оболочке кишечника, в них может синтезироваться до 80-100г глюкозы в сутки. В этих органах глюконеогенез идет до конца с образованием свободной глюкозы, которая может выходить из клеток, поддерживая гомеостаз глюкозы в крови. В норме гомеостаз глюкозы в крови обеспечивается глюконеогенезом печени до 80%, почек до 20%.
Небольшая активность глюконеогенеза наблюдается в мышечных тканях, однако из-за отсутствия у них последних ферментов глюконеогенеза, вместо свободной глюкозы образуются только ее производные, которые не способны покинуть клетку. Таким образом, углеводы синтезируются в мышечных тканях только для собственных нужд. Например, в скелетных мышцах и жировой ткани нет глюкозо-6-фосфотазы, продукт глюконеогенеза – глюкозо-6ф. В миокарде и гладких мышцах нет фруктозо-1,6-дифосфотазы, продукт глюконеогенеза – фруктозо-1,6-дф.
Биологическое значение глюконеогенеза. Необходимость поддержание постоянного уровня глюкозы в крови связана с тем что, для многих тканей глюкоза является основным (нервная ткань), а для некоторых единственным (эритроциты) источником энергии. Потребность в синтезе глюкозы объясняется тем что, гликогенолиз печени может самостоятельно обеспечивать гомеостаз глюкозы в крови только в течение 8-12 часов, далее запас гликогена в течение суток почти полностью истощается. В условиях длительного голодания (больше суток) глюконеогенез является единственным источником глюкозы в организме.
Пентозофосфатный шунт (ПФШ)
Пентозофосфатный шунт (путь, цикл) является альтернативным путем окисления глюкозы. Наиболее активен этот процесс в жировой ткани, печени, коре надпочечников, эритроцитах, фагоцитирующих лейкоцитах, лактирующей молочной железе, семенниках. Протекает он в цитозоле без участия кислорода и состоит из 2 стадий окислительной и неокислительной. В окислительной стадии происходит восстановление НАДФН2, который используется: 1) для регенерации глутатиона в антиоксидантной системе; 2) для синтеза жирных кислот; 3) в оксигеназных реакциях с участием цитохрома Р450 при обезвреживании ксенобиотиков, метаболитов, синтезе холестерина, стероидных гормонов и т.д. В неокислительной стадии образуются различные пентозы. Рибозо-5ф может использоваться для синтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов.
Тканевые особенности функционирования ПФШ (пути, цикла).
В зависимости от потребности ткани, пентозофосфатный процесс может протекать в виде метаболического цикла, пути или шунта начальных реакций гликолиза:
1. При ПФЦ или ПФШ в качестве продукта образуется только НАДФН2. Пентозы в этом случае не являются конечным продуктом, они превращаются в фосфогексозы, которые замыкают цикл, или уходят в гликолиз, завершая шунт. В жировой ткани, эритроцитах.
2. Продуктом ПФП являются НАДФН2 и пентозы. В печени, костном мозге.
3. В тканях, которые не испытывают потребность в НАДФН2, функционирует только неокислительная стадия ПФП, причем ее реакции идут в обратную сторону начиная с фруктозы-6ф до фосфопентоз. В мышцах.
Реакции окислительной стадии
Окислительная стадия ПФШ (пути, цикла) состоит из 3 необратимых реакций:
1). Глюкозо-6ф дегидрогеназа (глюкозо-6ф: НАДФ+ оксидоредуктаза). Ингибитор НАДФН2. Индуктор инсулин.
2). Глюконолактонгидратаза (6-фосфоглюконат: гидро-лиаза).
3). 6-фосфоглюконат дегидрогеназа (6-фосфоглюконат: НАДФ+ оксидоредуктаза (декарбоксилирующая)). Индуктор инсулин.
Схема ПФШ (пути, цикла)
На схеме неокислительная стадия начинается с эпимераз и изомераз, которые изомеризуют рибулозо-5ф. Все реакции неокислительной стадии обратимы.
Общее уравнение ПФЦ:
6 глюкозо-6ф + 12 НАДФ+ → 6 СО2 + 12 НАДФН2 + 5 глюкозо-6ф
Общее уравнение ПФШ:
3 глюкозо-6ф + 6 НАДФ+ → 3 СО2 + 6 НАДФН2 + 2 фруктозо-6ф + ФГА
Общие уравнения ПФП:
1) глюкозо-6ф + 2 НАДФ+ → СО2 + 2 НАДФН2 + рибозо-5ф
2) 2 фруктозо-6ф + ФГА → 3 рибозо-5ф
Патология ПФШ
Витамин B1 (тиамин). Структура витамина включает пиримидиновое и тиазоловое кольца, соединённые…Регуляция обмена углеводов
Энергетический гомеостаз обеспечивает энергетические потребности тканей с использованием различных субстратов. Т.к. углеводы являются основным источником энергии для многих тканей и единственным для анаэробных, регуляция углеводного обмена является важной составляющей энергетического гомеостаза организма.
Регуляция углеводного обмена осуществляется на 3 уровнях:
1. центральный.
2. межорганный.
3. клеточный (метаболический).
Центральный уровень регуляции углеводного обмена
Центральный уровень регуляции осуществляется с участием нейроэндокринной системы и регулирует гомеостаз глюкозы в крови и интенсивность метаболизма углеводов в тканях. К основным гормонам, поддерживающим нормальный уровень глюкозы в крови 3,3-5,5 мМоль/л, относят инсулин и глюкагон. На уровень глюкозы влияют также гормоны адаптации – адреналин, глюкокортикоиды и другие гормоны: тиреоидные, СДГ, АКТГ и т.д.
Межорганный уровень регуляции углеводного обмена
Глюкозо-лактатный цикл (цикл Кори) Глюкозо-аланиновый цикл
Глюкозо-лактатный цикл не требует наличие кислорода, функционирует всегда, обеспечивает: 1) утилизацию лактата, образующегося в анаэробных условиях (скелетные мышцы, эритроциты), что предотвращает лактоацидоз; 2) синтез глюкозы (печень).
Глюкозо-аланиновый цикл функционирует в мышцах при голодании. При дефиците глюкозы, АТФ синтезируется за счет распад белков и катаболизма аминокислот в аэробных условиях, при этом глюкозо-аланиновый цикл обеспечивает: 1) удаление азота из мышц в нетоксичной форме; 2) синтез глюкозы (печень).
Клеточный (метаболический) уровень регуляции углеводного обмена
Метаболический уровень регуляции углеводного обмена осуществляется с участием метаболитов и поддерживает гомеостаз углеводов внутри клетки. Избыток субстратов стимулирует их использование, а продукты ингибируют свое образование. Например, избыток глюкозы стимулирует гликогенез, липогенез и синтез аминокислот, дефицит глюкозы - глюконеогенез. Дефицит АТФ стимулирует катаболизм глюкозы, а избыток – наоборот ингибирует.
IV. Педфак. Возрастные особенности ПФШ и ГНГ, значение.
ЛЕКЦИЯ № 10
Тема: Структура и обмен инсулина, его рецепторов, транспорт глюкозы.
Механизм действия и метаболические эффекты инсулина.
Факультеты: лечебно-профилактический, медико-профилактический, педиатрический. 2 курс.
Гормоны поджелудочной железы
В островковой части поджелудочной железы выделяют 4 типа клеток, секретирующих разные гормоны: А- (или α-) клетки (25%) секретируют глюкагон,…Строение инсулина
Инсулин может существовать в форме: мономера, димера и гексамера. Гексамерная… Инсулины некоторых животных имеют значительное сходство по первичной структуре с инсулином человека. Бычий инсулин…Регуляция синтеза и секреции инсулина
Секрецию инсулина стимулируют: 1. глюкоза (главный регулятор), аминокислоты (особенно лей и арг); 2. гормоны ЖКТ (β-адренергические агонисты,… Под влиянием соматостатина секреция инсулина понижается. β-клетки также…БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ ИНСУЛИНА
Инсулин — главный анаболический гормон, он влияет на все виды обмена веществ во всём организме. Однако в первую очередь действие инсулина касается обмена углеводов.
Влияние инсулина на метаболизм глюкозы
Инсулин стимулирует утилизацию глюкозы в клетках разными путями. Около 50% глюкозы используется в процессе гликолиза, 30—40% превращается в жиры и около 10% накапливается в форме гликогена. Общий результат стимуляции этих процессов — снижение концентрации глюкозы в крови.
Влияние инсулина на метаболизм липидов
В печени и жировой ткани инсулин стимулирует синтез липидов, обеспечивая получение для этого процесса необходимых субстратов (ацетил-КоА, глицерофосфат и NADPH2) из глюкозы. В жировой ткани инсулин тормозит мобилизацию липидов, что снижает концентрацию жирных кислот, циркулирующих в крови.
Влияние инсулина на метаболизм белков
Инсулин оказывает в целом анаболическое действие на белковый обмен. Он стимулирует потребление нейтральных аминокислот в мышцах и синтез белков в печени, мышцах и сердце.
Кроме того, инсулин регулирует клеточную дифференцировку, пролиферацию и трансформацию большого количества клеток. Инсулин поддерживает рост и репликацию многих клеток эпителиального происхождения, в том числе гепатоцитов, опухолевых клеток. Инсулин усиливает способность фактора роста фибробластов (ФРФ), тромбоцитарного фактора роста (ТФР), фактора роста эпидермиса (ФРЭ), простагландина (ПГF2a), вазопрессина и аналогов цАМФ активировать размножение клеток.
Основные направления действия инсулина
Инсулин регулирует транспорт веществ
Инсулин стимулирует транспорт в клетку глюкозы, аминокислот, нуклеозидов, органического фосфата, ионов К+ и Са2+. Эффект проявляются очень быстро, в течение нескольких секунд и минут.
Транспорт глюкозыв клетки происходит при участии ГЛЮТ. В мышцах и жировой ткани инсулинзависимый ГЛЮТ-4, в отсутствие инсулина находится в цитозольных везикулах. Под влиянием инсулина происходит транслокация везикул с ГЛЮТ в плазматическую мембрану и начинается транспорт глюкозы. При снижении концентрации инсулина, ГЛЮТ-4 возвращаются в цитозоль, и транспорт глюкозы прекращается.
Инсулин регулирует синтез ферментов
Инсулин влияет на скорость транскрипции более чем 100 специфических мРНК в печени, жировой ткани, скелетных мышцах и сердце. Эффект реализуется в течение несколько часов. В клетках печени инсулин индуцирует синтез ключевых ферментов гликолиза (глюкокиназы, фруктокиназы и пируваткиназы), ПФШ (глюкозо-6ф ДГ), липогенеза (цитратлиаза, пальмитатсинтаза, Ацетил-КоА-карбоксилаза) и репрессирует синтез ключевого фермента глюконеогенеза (ФЕП карбоксикиназу).
Инсулин регулирует активность ферментов
· Инсулин активирует ключевые ферменты гликолиза: в печени, мышцах, жировой ткани – фосфофруктокиназу и пирруваткиназу; в печени – глюкокиназу; в… · Инсулин ингибирует в печени глюкозо-6-фосфотазу, что тормозит глюконеогенез… · Инсулин активирует фосфопротеинфосфотазу гликогенсинтазы и гликогенфосфорилазы, в результате активируется синтез…МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ИНСУЛИНА
При высокой концентрации инсулина в плазме крови, число IR может уменьшаться в результате усиленного разрушения в лизосомах. Также у IR может… Рецептор инсулина (IR) - гликопротеин, состоит из 2 α и 2 β…Активация инсулином сигнального пути Ras
Активированный Ras соединяется с протеинкиназой Raf-1 и активирует ее в результате многоэтапного процесса. Активированная ПК Raf-1 стимулирует… МАПК фосфорилирует многие цитоплазматические белки: ПК pp90S6, белки рибосом,… В результате активации протеинкиназ происходит фосфорилирование ферментов и факторов транскрипции, что составляет…Активация гликогенсинтазы
ПК pp90S6 фосфорилирует и активирует фосфопротеинфосфатазу (ФПФ). ФПФ дефосфорилирует и инактивирует киназу гликогенфосфорилазы и гликогенфосфорилазу, дефосфорилирует и активирует гликогенсинтазу. В результате активируется синтез гликогена, а распад - ингибируется.
Активация инозитолтрифосфатной системы
Фосфорилированные инсулином белки IRS-1 присоединяются к ФЛ С и активируют ее.
ФЛ С расщепляет фосфатидилинозитолы с образованием инозитолфосфатов и ДАГ.
Фосфорилированные инсулином белки IRS-1 и Shc присоединяются к фосфоинозитол-3-киназе (ФИ-3-киназа) и активируют ее.
ФИ-3-киназа катализирует фосфорилирование инозитолфосфатов (ФИ, ФИ-4-ф и ФИ-4,5-бф) в 3 положении, образуя инозитолполифосфаты: ФИ-3-ф, ФИ-3,4-бф, ФИ-3,4,5-тф. ФИ-3,4,5-тф (ИФ3) стимулирует мобилизацию Са2+ из ЭПР.
Са2+ и ДАГ активирует специфические ПК С.
Са2+ активирует микроканальцы, которые осуществляют транслокацию ГЛЮТ-4 в плазматическую мембрану, и таким образом ускоряет трансмембранный перенос глюкозы вклетки жировой и мышечной ткани.
Активация фосфодиэстеразы
Фосфорилированные инсулином белки IRS-1 и Shc присоединяются к протеинкиназе В (ПК В) и активируют ее. ПК В фосфорилирует и активирует фосфодиэстеразу (ФДЭ). ФДЭ катализирует превращение цАМФ в АМФ, прерывая эффекты контринсулярных гормонов, что приводит к торможению липолиза в жировойткани, гликогенолиза в печени.
Регуляция транскрипции мРНК
STAT – особые белки, являются переносчиками сигнала и активаторами транскрипции. При фосфорилировании STAT с участием IR или МАПК образуют димеры, которые транспортируются в ядро, где связываются со специфическими участками ДНК, регулируют транскрипцию мРНК и биосинтез белков-фементов.
Путь Ras активируется не только инсулином, но и другими гормонами и факторами роста.
ЛЕКЦИЯ № 11
Тема: Сахарный диабет I и II типа: механизмы возникновения,
Метаболические нарушения, осложнения.
2 курс. В норме уровень глюкозы в крови натощак составляет 3.3 – 5.5 ммоль/л. Гипергликемия – повышение уровня глюкозы в крови выше 6,1 ммоль/л. Гипергликемия бывает физиологической и…САХАРНЫЙ ДИАБЕТ I типа
СД I типа — заболевание, которое возникает вследствие абсолютного дефицита инсулина, вызванного аутоиммунным разрушением β-клеток поджелудочной железы. СД I типа поражает в большинстве случаев детей, подростков и молодых людей до 30 лет, но может проявиться в любом возрасте. СД I типа редко является семейным заболеванием (10-15% всех случаев).
Причины СД I типа
1. Генетическая предрасположенность. Генетические дефекты ведущие к СД могут реализоваться в клетках иммунной системы и β-клетках поджелудочной железы. В β-клетках известно около 20 генов, способствующих развитию СД I типа. В 60-70% случаях СД I типа связан с наличием в 6 хромосоме HLA региона генов DR3, DR4 и DQ.
2. Действие на β-клетки β-цитотропных вирусов (оспа, краснуха, корь, паротит, Коксаки, аденовирус, цитомегаловирус), химических и других диабетогенов.
Вариант 1
При наличии генетического дефекта, на поверхности β-клеток накапливаются антигены, имеющие схожую аминокислотную последовательность с β-цитотропными вирусами.
В случае возникновения инфекции β-цитотропных вирусов, развиваются иммунные реакции против этих вирусов и аутоиммунные реакции против схожих антигенов β-клеток. Реакция идет с участием моноцитов, Т-лимфоцитов, антител к β-клеткам, инсулину, глутамат декарбоксилазе (фермент 64кДа, находиться на мембране β-клеток). В результате аутоиммунные реакции вызывают гибель β-клеток.
Вариант 2
При действии на β-клетки с генотипом HLA β-цитотропных вирусов или диабетогенов на поверхности β-клеток происходит изменение антигенов.
На измененные антигены β-клетки развиваются аутоиммунные реакции. Аутоиммунные реакции вызывают гибель β-клеток.
Вариант 3
β-цитотропные вирусы имеют схожую последовательность аминокислот с глутамат декарбоксилазой β-клеток. Генетический дефект СД8+ лимфоцитов (Т-супрессоров) не позволяет им отличить аминокислотную последовательность вируса и глутамат декарбоксилазы, поэтому при возникновении инфекции, Т-лимфоциты реагируют на глутамат декарбоксилазу β-клеток как на вирус.
Вариант 4
Некоторые β-цитотропные вирусы и химические диабетогены, например, производные нитрозомочевины, нитрозамины, аллоксан самостоятельно и избирательно поражают β-клетки, вызывая их лизис;
Стадии развития СД I типа
2. Стадия провоцирующих событий. Инфекция β-цитотропных вирусов или действие химических диабетогенов. Протекает без клинических симптомов; 3. Стадия явных иммунных аномалий. Развитие смешанных аутоиммунных реакций… 4. Стадия латентного диабета. Гибель 75% β-клеток, небольшое снижение инсулина, гипергликемия при нагрузочных…Изменения метаболизма при СД I типа
При СД I типа исчезает инсулин, т.к. инсулин ингибитор секреции глюкагона, в крови происходит увеличение глюкагона.
Изменения в углеводном обмене
В печени дефицит инсулина и избыток глюкагона стимулирует реакции глюконеогенеза, гликогенолиза и ингибирует реакции гликолиза, ПФШ и синтеза… Так как реакции глюконеогенеза протекают через ЩУК, он, образовавшись из ПВК,… В инсулинзависимых тканях (мышцы, жировая ткань) дефицит инсулина препятствует поступлению глюкозы в клетки и ее…Изменения в липидном обмене
В норме кетоновые тела являются источником энергии для аэробных тканей, они превращаются в АцетилКоА, который окисляется в ЦТК. Так как ЦТК… В тканях ацетоуксусная кислота частично декарбоксилируется до ацетона, запах… Липопротеины крови поставляют субстраты для липогенеза в тканях. Дефицит инсулина блокирует липогенез в жировой ткани,…Изменения в белковом обмене
Энергодефицит, недостаток инсулина и избыток глюкагона приводит к снижению скорости синтеза белков в организме и усилению их распада, что повышает концентрацию аминокислот в крови. Аминокислоты поступают в печень и дезаминируются до кетокислот. Кетокислоты включаются в глюконеогенез, что усиливает гипергликемию. Из аммиака активно синтезируется мочевина. Повышение в крови аммиака, мочевины, аминокислот вызывает азотемию – увеличение концентрации азота в крови. Азотемия приводит к азотурии – увеличению концентрации азота в моче. Развивается отрицательный азотистый баланс. Катаболизм белков ведет к миодистрофии и вторичному иммунодефициту.
Изменения в водно-солевом обмене
Высокие концентрации глюкозы, кетоновых тел и мочевины создают в плазме крови значительное осмотическое давление, которое способствует дегидратации…Изменение в газообмене тканей
Общая дегидратация организма, вызванная полиурией и дегидратацией тканей приводит к снижению периферического кровообращения, уменьшению мозгового и почечного кровотока и гипоксии. Причиной гипоксии является также гликозилирование Hb в HbA1c, который не переносит О2 к тканям. Гипоксия ведет к энергодефициту и накоплению в организме лактата.
Изменения в кислотно-основном равновесии
Накопление кетоновых тел, лактата и потеря щелочных валентностей с мочой снижает буферную ёмкость крови и вызывает ацидоз.
Симптомы СД I типа
Общие симптомы (жажда, полиурия, кожный зуд, склонность к инфекциям) выражены. Общая слабость, похудание, снижение трудоспособности, сонливость. Ожирение отсутствует. Повышенный аппетит при кетоацидозе сменяется анорексией. Развивается быстро, склонен к развитию кетоацидотической комы.
САХАРНЫЙ ДИАБЕТ II типа
В основе СД II типа лежат множество причин. СД II типа развивается при: · генетических дефектах рецепторов инсулина, у них снижается чувствительность… · синтезе дефектного инсулина с низкой биологической активностью (мутация гена инсулина: в позиции 24 В-цепи вместо…Стадии СД II типа
1. Стадия генетической предрасположенности. Есть генетические маркеры, нет нарушений углеводного обмена. Может длиться всю жизнь;
2. Стадия латентного диабета. Гипергликемия при нагрузочных пробах. Протекает без клинических симптомов СД;
3. Явный диабет. Гипергликемия натощак. Появляются клинические симптомы.
Симптомы СД II типа
Общие симптомы (жажда, полиурия, кожный зуд, склонность к инфекциям) выражены умеренно или отсутствуют. Часто ожирение (у 80-90% больных).
Изменения метаболизма при СД II типа
Относительный дефицит инсулина вызывает метаболические нарушения, схожие с теми которые возникают при абсолютном дефиците инсулина, однако эти нарушения менее выражены, а у 50% больных с ожирением и умеренной гипергликемией СД II типа вообще протекает бессимптомно.
В отличие от абсолютного дефицита инсулина, при относительном дефиците инсулина, влияние инсулина сохраняется на жировую ткань, имеющую высокое содержание рецепторов к инсулину. Инсулин в жировой ткани стимулирует липогенез, блокирует липолиз и выход жирных кислот в кровь, поэтому при СД II типа не наблюдается кетоацидоз, масса тела не уменьшается, а наоборот развивается ожирение. Таким образом, ожирение, с одной стороны, важнейший фактор риска, а с другой — одно из ранних проявлений СД II типа.
При СД II типа наблюдается гиперинсулинемия (80%), артериальная гипертензия (50%), гиперлипидемия (50%), атеросклероз, нейропатия (15%) и диабетическая нефропатия (5%).
Осложнения СД