Metabolismul carbohidraților

Metabolismul carbohidraților sau metabolismul carbohidraților la animale și la oameni . Metabolismul carbohidraților în corpul uman constă în următoarele procese:

  1. Defalcarea în tractul digestiv a polizaharidelor și dizaharidelor din alimente la monozaharide , absorbția suplimentară a monozaharidelor din intestin în sânge .
  2. Sinteza și descompunerea glicogenului în țesuturi ( glicogenă și glicogenoliză ), în primul rând în ficat .
  3. Glicoliza  este descompunerea glucozei . Inițial, acest termen însemna doar fermentația anaerobă , care se încheie cu formarea de acid lactic (lactat) sau etanol și dioxid de carbon . În prezent, termenul „ glicoliză ” este folosit mai larg pentru a descrie descompunerea glucozei, procedând prin formarea de glucoză-6-fosfat , fructoză-1,6-difosfat și piruvat , atât în ​​absența, cât și în prezența oxigenului . În acest din urmă caz, se folosește termenul „ glicoliză aerobă ”, spre deosebire de „ glicoliză anaerobă ”, care se termină cu formarea acidului lactic sau a lactatului.
  4. Calea anaerobă a oxidării directe a glucozei sau, așa cum este numită, calea pentozei fosfat (ciclul pentozei).
  5. Interconversia hexozelor .
  6. Metabolismul anaerob al piruvatului. Acest proces depășește metabolismul carbohidraților, dar poate fi considerat ca etapa finală: oxidarea produsului de glicoliză - piruvat.
  7. Gluconeogeneza  - formarea carbohidraților din produse non-carbohidrate ( piruvat , lactat , glicerol , aminoacizi , lipide , proteine ​​etc.).

Scurte informații despre carbohidrați

Carbohidrații fac parte din organismele vii și, împreună cu proteinele , lipidele și acizii nucleici , determină specificitatea structurii și funcționării acestora. Carbohidrații sunt compuși care au funcții diverse și adesea foarte diferite. Carbohidrații sunt implicați în multe procese metabolice , dar mai presus de toate sunt principalii furnizori de energie. Carbohidrații reprezintă aproximativ 75% din greutatea aportului alimentar zilnic și mai mult de 50% din necesarul zilnic de calorii. Cu toate acestea, este greșit să reducem funcția carbohidraților doar la aprovizionarea cu energie a proceselor vitale ale organismului. Carbohidrații joacă, de asemenea, un rol structural. Deci, sub formă de glicozaminoglicani , carbohidrații fac parte din matricea extracelulară . Un număr mare de proteine ​​( enzime , proteine ​​transportoare, proteine ​​receptor, hormoni ) sunt glicoproteine , a căror componentă carbohidrată le mărește specificitatea. De exemplu, diferențele în structura fragmentelor de oligozaharide ale peretelui celular al eritrocitelor asigură gruparea sângelui . Din carbohidrați în procesul de metabolism se formează un număr mare de compuși organici, care servesc drept substraturi inițiale pentru sinteza lipidelor, aminoacizilor și nucleotidelor. Derivații carbohidraților - glucuronide - sunt implicați în detoxifierea xenobioticelor și inactivarea substanțelor de origine endogenă [1] . Carbohidrații pot fi sintetizați în organism folosind alți metaboliți: anumiți aminoacizi , glicerol , acid lactic . Carbohidrații nu sunt considerați componente esențiale ale alimentelor. Cu toate acestea, dacă carbohidrații sunt excluși din dietă, atunci consecința poate fi hipoglicemia , pentru a compensa proteinele și lipidele care vor fi consumate. Astfel, carbohidrații sunt componente esențiale ale alimentelor, deoarece pe lângă funcția lor energetică principală („lemne de foc”), carbohidrații sunt implicați în multe procese metabolice celulare [2] .

Digestia și absorbția carbohidraților

Digestia carbohidraților poate fi împărțită în mai multe etape:

Celulele epiteliale intestinale sunt capabile doar să absoarbă monozaharidele . Prin urmare, procesul de digestie constă în hidroliza enzimatică a legăturilor glicozidice din carbohidrați , care au o structură oligo- sau polizaharidă.

Digestia carbohidraților în gură

În cavitatea bucală, descompunerea amidonului (și a glicogenului ) începe sub acțiunea enzimei salivare  - amilaza . Există 3 tipuri de amilaze, care diferă în principal prin produsele finale ale acțiunii lor enzimatice:

α-Amilaza ( EC 3.2.1.1 ) scindează legăturile interne α-1,4 din polizaharide , de aceea este uneori numită endoamilază. Molecula de α-amilază conține în centrii săi activi ioni de Ca 2+ necesari activității enzimatice. În plus, o trăsătură caracteristică a α-amilazei de origine animală este capacitatea de a fi activată de anioni monovalenți . În primul rând, Cl - .

α-amilaza salivară este un amestec de izoenzime strâns înrudite separabile electroforetic . Fiecare dintre ele este o polipeptidă cu un singur lanț (greutate moleculară 56.000 Da) la care este atașată o oligozaharidă. Structura acestei oligozaharide , precum și numărul de molecule ale acesteia per moleculă de proteină și metoda de atașare la proteină sunt necunoscute. În mod surprinzător, nu există enzime corespunzătoare în saliva unor primate , cum ar fi babuini sau rhesus.

Descompunerea completă a amidonului nu poate avea loc în cavitatea bucală , deoarece acțiunea enzimei asupra amidonului este de scurtă durată. În plus, amilaza salivară nu scindează legăturile α-1,6-glicozidice (legături la locurile de ramificare), astfel încât amidonul este doar parțial digerat cu formarea de fragmente mari - dextrine și o cantitate mică de maltoză . Amilaza salivară nu hidrolizează legăturile glicozidice din dizaharide .

Sub acțiunea β-amilazei , maltoza dizaharidă este scindată din amidon , adică β-amilaza este o exoamilază. Se găsește la plantele superioare unde joacă un rol important în mobilizarea amidonului de rezervă (rezervă) .

γ-Amilaza scindează unul după altul reziduurile de glucoză de la capătul lanțului poliglicozidic. Există 2 tipuri de γ-amilaze: acide și neutre, în funcție de intervalul de pH în care prezintă activitate maximă. În organele și țesuturile oamenilor și mamiferelor, γ-amilaza acidă este localizată în lizozomi și neutră în microzomi și hialoplasmă . Amilaza salivară este o α-amilază. Sub influența acestei enzime, primele faze ale descompunerii amidonului (sau glicogenului) au loc cu formarea dextrinelor ( maltoza se formează, de asemenea, într-o cantitate mică ). Apoi alimentele amestecate cu saliva intră în stomac .

Sucul gastric nu conține enzime care descompun carbohidrații complecși (de exemplu , celuloza ). În stomac, acțiunea α-amilazei salivei încetează, deoarece conținutul gastric are un mediu foarte acid (pH 1,5 - 2,5). Cu toate acestea, în straturile mai profunde ale bolusului alimentar, unde sucul gastric nu pătrunde imediat, acțiunea amilazei continuă de ceva timp și are loc descompunerea polizaharidelor cu formarea dextrinelor și maltozei. Cea mai importantă fază a descompunerii amidonului (sau glicogenului) are loc în duoden sub acțiunea α-amilazei pancreatice . Aici pH-ul se ridică la valori neutre, în aceste condiții α-amilaza sucului pancreatic are activitate aproape maximă. Această enzimă completează conversia amidonului și a glicogenului în maltoză , inițiată de amilaza salivară.

Digestia carbohidraților în intestine

Descompunerea amidonului și a glicogenului în maltoză în intestin are loc sub acțiunea a 3 enzime:

Maltoza rezultată este doar un produs temporar, deoarece este rapid hidrolizată sub influența enzimei maltaze (α-glucozidază) la 2 molecule de glucoză. Sucul intestinal contine si zaharaza activa , sub actiunea careia se formeaza glucoza si fructoza .

α-amilaza pancreatică

În duoden , pH-ul conținutului gastric este neutralizat, deoarece secretul pancreasului are un pH de 7,5-8,0 și conține bicarbonați (HCO 3 - ). Cu secretul pancreasului, α-amilaza pancreatică intră în intestin. Această enzimă hidrolizează legăturile α-1,4-glicozidice din amidon și dextrine .

Produsele digestiei amidonului în această etapă sunt maltoza dizaharidă , care conține 2 reziduuri de glucoză legate printr-o legătură α-1,4. Din acele reziduuri de glucoză care se află în molecula de amidon la locurile de ramificare și sunt conectate printr-o legătură α-1,6- glicozidică , se formează dizaharidă izomaltoză . În plus, se formează oligozaharide care conțin 3-8 resturi de glucoză legate prin legături α-1,4 și α-1,6

α-amilaza pancreatică , ca și α -amilaza salivară, acționează ca o endoglicozidază. α-amilaza pancreatică nu scindează legăturile α-1,6-glicozidice din amidon. De asemenea, această enzimă nu hidrolizează legăturile β-1,4-glicozidice, care conectează reziduurile de glucoză din molecula de celuloză. Celuloza trece astfel prin intestine neschimbată. Cu toate acestea, celuloza nedigerată îndeplinește o funcție importantă de balast, oferind alimentelor un plus de volum și influențând pozitiv procesul de digestie. În plus, în intestinul gros, celuloza poate fi expusă la enzime bacteriene și poate fi descompusă parțial pentru a forma alcooli , acizi organici și CO 2 . Produsele de descompunere bacteriană a celulozei sunt importante ca stimulente ai motilității intestinale .

Maltoza , izomaltoza și zaharurile trioze, formate în intestinele superioare din amidon, sunt produse intermediare. Digestia lor ulterioară are loc sub acțiunea unor enzime specifice din intestinul subțire. Dizaharidele alimentare zaharoza și lactoza sunt, de asemenea, hidrolizate de dizaharidaze specifice în intestinul subțire.

Particularitatea digestiei carbohidraților în intestinul subțire este că activitatea oligo- și dizaharidazelor specifice în lumenul intestinal este scăzută. Dar enzimele sunt active pe suprafața celulelor epiteliale intestinale .

Intestinul subțire din interior are forma unor excrescențe în formă de deget - vilozități, acoperite cu celule epiteliale. Celulele epiteliale , la rândul lor, sunt acoperite cu microvilozități orientate spre lumenul intestinal . Aceste celule, împreună cu vilozitățile, formează o margine de perie, datorită căreia suprafața de contact a enzimelor hidrolitice și substraturile acestora în conținutul intestinal crește. Pentru 1 mm 2 din suprafața intestinului subțire la om, există 80-140 de milioane de vilozități.

Enzimele care scindează legăturile glicozidice din dizaharide (disaharidaze) formează complexe enzimatice localizate pe suprafața exterioară a membranei citoplasmatice a enterocitelor .

Complex zaharază-izomaltază

Acest complex enzimatic este format din două lanțuri polipeptidice și are o structură de domeniu. Complexul zaharază-izomaltază este atașat de membrana microvilozităților intestinale cu ajutorul unui domeniu hidrofob (transmembranar) format din partea N-terminală a polipeptidei. Locul catalitic iese în lumenul intestinal. Legătura acestei enzime digestive cu membrana contribuie la absorbția eficientă a produselor de hidroliză de către celulă.

Complexul zaharoză-izomaltază hidrolizează zaharoza și izomaltoza, scindând legăturile α-1,2- și α-1,6-glicozidice. În plus, ambele domenii enzimatice au activități de maltază și maltotriază, hidrolizând legăturile α-1,4-glicozidice în maltoză și maltotrioză (o trizaharidă derivată din amidon ). Complexul zaharază-izomaltază reprezintă 80% din toată activitatea maltazei intestinale. Dar, în ciuda activității sale mari inerente de maltază, acest complex enzimatic este numit în conformitate cu specificul principal. În plus, subunitatea zaharozei este singura enzimă din intestin care hidrolizează zaharoza. Subunitatea izomaltazei hidrolizează legăturile glicozidice în izomaltoză cu o viteză mai rapidă decât în ​​maltoză și maltotrioză.

În jejun , conținutul complexului enzimatic zaharază-izomaltază este destul de mare, dar scade în părțile proximale și distale ale intestinului.

Complex de glicoamilază

Acest complex enzimatic catalizează hidroliza legăturii α-1,4 dintre reziduurile de glucoză din oligozaharide , acționând de la capătul reducător. Conform mecanismului de acțiune, această enzimă este denumită exoglicozidaze. Complexul scindează, de asemenea, legăturile din maltoză, acționând ca maltaza . Complexul de glicoamilază conține două subunități catalitice diferite, cu ușoare diferențe în specificitatea substratului. Activitatea glicoamilază a complexului este cea mai mare în părțile inferioare ale intestinului subțire .

Complexul de β-glicozidază (lactază)

Lactaza scindează legăturile β-1,4-glicozidice dintre glucoză și galactoză din lactoză.

Acest complex enzimatic este chimic o glicoproteină. Lactaza, ca și alte complexe glicozidaze, este asociată cu marginea periei și este distribuită neuniform în intestinul subțire . Activitatea lactază fluctuează cu vârsta. Astfel, activitatea lactază la făt este crescută mai ales în etapele ulterioare ale sarcinii și se menține la un nivel ridicat până la vârsta de 5-7 ani. Apoi activitatea enzimei scade, ridicandu-se la adulti la 10% din nivelul de activitate caracteristic copiilor.

Tregalase

Trehalaza (EC 3.2.1.28 ) este, de asemenea, un complex de glicozidază care hidrolizează legăturile dintre monomerii din trehaloză  , o dizaharidă găsită în ciuperci .

Acțiunea combinată a tuturor acestor enzime completează digestia oligo- și polizaharidelor alimentare cu formarea de monozaharide , principala dintre ele este glucoza . Pe langa glucoza , fructoza si galactoza se formeaza si din carbohidratii alimentari , intr-o cantitate mai mica - manoza , xiloza , arabinoza .

Absorbția monozaharidelor în intestin

Monozaharidele formate în urma digestiei sunt absorbite de celulele epiteliale ale jejunului și ileonului folosind mecanisme speciale de transport prin membranele celulare .

Transportul monozaharidelor în celulele mucoasei intestinale poate fi efectuat în diferite moduri: prin difuzie facilitată și transport activ. În cazul transportului activ, glucoza și Na + trec prin membrane din partea luminală, legându-se de diferite părți ale proteinei purtătoare. În acest caz, Na + intră în celulă de-a lungul gradientului de concentrație și, în același timp, glucoza este transportată împotriva gradientului de concentrație (transport activ secundar). Prin urmare, cu cât gradientul de Na + este mai mare, cu atât este mai mare intrarea glucozei în enterocite . Dacă concentrația de Na + în lichidul extracelular scade, transportul glucozei scade. Gradientul de concentrație Na + , care este forța motrice a portului sim activ, este creat de munca Na + , K + -ATPazei . Transferul către celulele mucoasei intestinale prin mecanismul transportului activ secundar este, de asemenea, caracteristic galactozei .

La diferite concentrații de glucoză în lumenul intestinal „funcționează” diverse mecanisme de transport. Datorită transportului activ, celulele epiteliale intestinale pot absorbi glucoza în concentrații foarte scăzute în lumenul intestinal. Dacă concentrația de glucoză în lumenul intestinal este mare, atunci aceasta poate fi transportată în celulă prin difuzie facilitată . Fructoza poate fi, de asemenea, absorbită în același mod . Rata de absorbție a glucozei și galactozei este mult mai rapidă decât a altor monozaharide .

După absorbție, monozaharidele (în principal glucoza) părăsesc celulele mucoasei intestinale prin membrana orientată către capilarul sanguin prin difuzie facilitată. O parte din glucoză (mai mult de jumătate) prin capilarele vilozităților intestinale intră în sistemul circulator și este livrată în ficat prin vena portă . Restul glucozei intră în celulele altor țesuturi .

Transportul glucozei din sânge la celule

Consumul de glucoză de către celulele din fluxul sanguin are loc și prin difuzie facilitată . Prin urmare, viteza fluxului transmembranar al glucozei depinde numai de gradientul său de concentrație. Excepție fac celulele musculare și țesutul adipos, unde difuzia facilitată este reglată de insulină (hormonul pancreatic). În absența insulinei , membrana plasmatică a acestor celule este impermeabilă la glucoză deoarece nu conține proteine ​​purtătoare de glucoză. Transportatorii de glucoză sunt numiți și receptori de glucoză. De exemplu, este descris un transportor de glucoză izolat din eritrocite. Este o proteină transmembranară, al cărei lanț polipeptidic este construit din 492 de resturi de aminoacizi și are o structură de domeniu . Domeniile polare ale proteinei sunt situate pe părți opuse ale membranei , cele hidrofobe sunt situate în membrană, traversând-o de mai multe ori. Transportorul are un loc de legare a glucozei pe exteriorul membranei. După adăugarea de glucoză, conformația proteinei se modifică, drept urmare glucoza este asociată cu proteina din regiunea care se confruntă cu interiorul celulei. Apoi glucoza este separată de transportor, trecând în celulă. Se crede că metoda difuziei facilitate, în comparație cu transportul activ, împiedică transportul ionilor împreună cu glucoza dacă aceasta este transportată de-a lungul unui gradient de concentrație.

Transportatori de glucoză

Transportatorii de glucoză sau GLUT sunt mai multe familii de proteine ​​​​membranare găsite în toate țesuturile corpului mamiferelor . În prezent, există câteva zeci de soiuri de GLUT, acestea fiind numerotate în ordinea descoperirii lor [3] .

Structura proteinelor din familia GLUT diferă de proteinele care transportă glucoza prin membrană în intestin și rinichi în raport cu un gradient de concentrație . Cele 4 tipuri de GLUT descrise au o structură primară și o organizare a domeniului similare (toate cele 4 tipuri aparțin transportorilor de glucoză de clasa I). GLUT-5 are o structură ușor diferită și aparține clasei II de transportatori de glucoză.

Distribuția proteinelor de transport al glucozei (GLUT)

Tipuri de GLUT Localizare în organe
GLUT-1 Predominant în creier, placentă, rinichi, intestinul gros .
GLUT-2 Predominant în ficat , rinichi, celule β ale insulelor Langerhans , eritrocite .
GLUT-3 În multe țesuturi, inclusiv creier , placentă , rinichi .
GLUT-4 (dependent de insulină) În mușchi (scheletici și cardiaci), țesutul adipos . Conținut în absența insulinei aproape în întregime în citoplasmă.
GLUT-5 În secțiunea apicală a enterocitelor intestinului subțire . Este purtător de fructoză [4] .

Toate tipurile de GLUT pot fi găsite atât în ​​membrana plasmatică, cât și în veziculele citosolice . GLUT-4 (și într-o măsură mai mică GLUT-1) este aproape complet localizat în citoplasma celulelor. Influența insulinei asupra acestor celule duce la mișcarea veziculelor care conțin GLUT către membrana plasmatică, fuziunea cu aceasta și încorporarea transportorilor în membrană. După aceea, este posibil transportul facilitat al glucozei în aceste celule. După o scădere a concentrației de insulină în sânge, transportatorii de glucoză se deplasează din nou în citoplasmă și fluxul de glucoză în celulă se oprește.

Mișcarea glucozei din urina primară în celulele tubilor renali are loc prin transport activ secundar, similar modului în care glucoza este absorbită din lumenul intestinal în enterocite . Din acest motiv, glucoza poate intra în celule chiar dacă concentrația sa în urina primară este mai mică decât în ​​celule . În același timp, glucoza este reabsorbită din urina primară aproape complet (99%).

Sunt cunoscute diverse tulburări în activitatea transportatorilor de glucoză . Un defect ereditar al acestor proteine ​​poate sta la baza diabetului zaharat non-insulino-dependent.În același timp, nu numai un defect al proteinei în sine poate fi cauza defecțiunii transportorului de glucoză . Încălcările funcției GLUT-4 sunt posibile în următoarele etape:

  1. transmiterea semnalului de insulină despre mișcarea acestui transportor către membrană;
  2. mișcarea transportorului în citoplasmă;
  3. includerea în membrană;
  4. dantelă de pe membrană etc.

Tulburări de digestie și absorbție a carbohidraților

Patologia digestiei și absorbției carbohidraților se poate baza pe două tipuri de cauze:

  1. defecte ale enzimelor implicate în hidroliza carbohidraților în intestin ;
  2. încălcarea absorbției produselor de digestie a carbohidraților în celulele mucoasei intestinale .

În ambele cazuri, apare diareea osmotică , care este cauzată de dizaharide nedigerate sau monozaharide neabsorbite . Acești carbohidrați nerevendicați intră în intestinul distal , modificând presiunea osmotică a conținutului intestinal. În plus, carbohidrații care rămân în lumenul intestinal sunt parțial supuși scindării enzimatice de către microorganisme cu formarea de acizi organici și gaze. Toate împreună duc la un aflux de apă în intestine, o creștere a volumului conținutului intestinal, creșterea peristaltismului , spasme și dureri , precum și flatulență .

Termenul „ malabsorbție ” se referă la absorbția insuficientă a produselor carbohidrate digerate. Dar, deoarece manifestările clinice ale digestiei și absorbției insuficiente sunt similare, termenul de „malabsorbție” se referă la ambele tipuri de tulburări.

Încălcarea digestiei carbohidraților în intestin

Tulburările de digestie pot fi asociate atât cu o activitate insuficientă a dizaharidazelor individuale, cât și cu o deficiență a întregului complex enzimatic, de exemplu, zaharază-izomaltaza.

Sunt cunoscute forme ereditare și dobândite de insuficiență a activității enzimatice . Simptomele formelor congenitale apar destul de devreme, de exemplu, după primele alăptări cu lapte matern (cu deficit de lactază), după trecerea la hrănirea artificială sau când se adaugă zahăr și amidon în dietă (cu deficit de os-amilază sau dizaharidaze specifice). ). În caz de tratament insuficient, formele congenitale de patologie sunt însoțite de disbacterioză cronică și de dezvoltare fizică afectată a copilului.

Formele de patologie dobândite pot fi observate în bolile intestinale, cum ar fi gastrita , colita , enterita . În aceste cazuri, o scădere a activității lactază este deosebit de vizibilă. După cum sa menționat deja, activitatea lactază în intestin este mai mică decât alte dizaharidaze, astfel încât o scădere a activității sale devine în primul rând vizibilă pentru organism.

Deficitul de lactază la adulți poate avea o altă cauză. Este posibil să se reducă expresia genei lactază odată cu vârsta. S-a menționat deja că activitatea lactază la adulți este în mod normal mult mai mică decât la copii. Prin urmare, o scădere a activității lactază comparativ cu un nivel deja scăzut la unii indivizi se poate manifesta prin intoleranță la lapte . Purtătorii patologiei asociate cu deficitul de lactază sunt cel mai adesea persoane de origine africană și asiatică. Frecvența medie a acestei forme de patologie în Europa este de 7-12%, în China - 80%, în unele părți ale Africii - până la 97%. Astfel de observații ale răspândirii deficitului de lactază sunt asociate cu dieta stabilită istoric și cu lipsa creșterii bovinelor de lapte în regiunile menționate. Exemple și cauze ale tulburărilor de digestie a dizaharidelor sunt enumerate în tabel.

Există forme rare de afectare a digestiei carbohidraților. De exemplu, este cunoscută o deficiență ereditară de trehalază, care se manifestă prin dispepsie după consumul de ciuperci care conțin trehaloză .

În unele cazuri, malabsorbția poate fi cauzată din mai multe motive. De exemplu, după o operație la stomac , amestecul alimentelor cu sucurile digestive se poate agrava , secreția acestora poate scădea, trecerea alimentelor prin intestine poate fi accelerată , iar cecul și ansele adductorilor pot fi colonizate de bacterii.

Malabsorbția monozaharidelor

Pentru a diagnostica diferite tulburări digestive, se folosesc probe cu o încărcătură de anumiți carbohidrați . Tulburările de absorbție pot fi rezultatul unui defect al oricărei componente ( proteine ​​sau enzime ) implicate în sistemul de transport al monozaharidelor prin membrană . Au fost descrise patologii asociate cu un defect al proteinei transportoare de glucoză dependentă de sodiu . Deficitul de dizaharidaze intestinale poate fi diagnosticat prin administrarea unei dizaharide și apoi măsurarea concentrației de glucoză din sânge. Pentru o mai mare sensibilitate, acest test se efectuează prin introducerea mai întâi a dizaharidei (50 g) și apoi a cantității echivalente din monozaharidele sale constitutive (25 g fiecare). După efort, concentrația de glucoză din sânge crește cu aproximativ 50% din normal. În patologie, se observă o ușoară hiperglicemie .

tulburări de digestie a dizaharidelor

Cauza bolii Manifestări clinice și constatări de laborator
deficit ereditar de lactază Apare relativ rar.

După administrarea de lapte, vărsături , diaree , crampe și dureri în abdomen, se observă flatulență . Simptomele apar imediat după naștere.

Deficitul de lactază datorită scăderii exprimării genei enzimei în ontogenie Tipic pentru adulți și copii mai mari.

Este o consecință a scăderii cantității de lactază asociată cu vârsta. Simptomele intoleranței la lapte sunt similare cu forma ereditară a deficitului de lactoză .

Deficitul secundar de lactază Aceasta este o formă temporară, dobândită. Intoleranța la lapte poate fi rezultatul unor boli intestinale, de exemplu, colita , gastrita . În plus, deficitul temporar de lactază poate fi rezultatul operațiilor la nivelul tractului gastrointestinal .
Deficitul ereditar al complexului zaharază-izomaltază Se manifestă atunci când se adaugă zaharoză și amidon în dieta copiilor . Copiii bolnavi sunt de obicei reticenți în a mânca dulciuri. Dupa incarcarea cu zaharoza se observa o usoara hiperglicemie . Alte zaharuri ( glucoza , fructoza , lactoza ) sunt bine tolerate.
Deficitul dobândit al complexului zaharază-izomaltază Poate apărea din cauza bolilor intestinale. Se manifesta prin dispepsie , provocata de cereale , amidon , precum si bere si alte bauturi pe baza de malt .

Dacă testul de încărcare cu monozaharidă este însoțit de o creștere adecvată a concentrației sale în sânge, iar încărcătura cu dizaharidă nu dă o reacție normală, atunci aceasta indică cel mai probabil un defect al dizaharidazei intestinale și nu al sistemului de transport.

Deficitul de lactază poate fi apreciat prin determinarea hidrogenului în aerul expirat (testul cu hidrogen). Hidrogenul este produs prin acțiunea enzimelor bacteriene asupra lactozei .

Anabolismul și catabolismul glicogenului

Multe țesuturi sintetizează glicogenul ca formă de rezervă de glucoză. Sinteza și descompunerea glicogenului asigură constanta concentrației de glucoză în sânge și creează un depozit pentru utilizarea acestuia de către țesuturi după cum este necesar.

Glicogenul  este una dintre cele mai importante forme de stocare a carbohidraților în ciuperci , animale și oameni .

Glicogenul este un homopolimer de glucoză ramificat , în care reziduurile de glucoză sunt conectate în secțiuni liniare printr-o legătură α-1,4-glicozidică. La punctele de ramificare, monomerii sunt legați prin legături α-1,6-glicozidice. Aceste legături se formează cu aproximativ fiecare al zecelea reziduu de glucoză. Prin urmare, punctele de ramificare în glicogen apar aproximativ la fiecare zece reziduuri de glucoză. Aceasta are ca rezultat o structură asemănătoare arborelui cu o greutate moleculară > 107D , care corespunde la aproximativ 50.000 de reziduuri de glucoză. Astfel, există o singură grupă OH anomerică liberă în molecula de glicogen și, în consecință, un singur capăt reducător (reducător).

În timpul polimerizării glucozei, solubilitatea moleculei de glicogen rezultată scade și, în consecință, efectul acesteia asupra presiunii osmotice din celulă. Această împrejurare explică de ce glicogenul este depus în celulă, și nu glucoza liberă.

După ce ai consumat o masă bogată în carbohidrați, depozitul de glicogen din ficat poate fi de aproximativ 4% -5% din masa sa. Aproximativ 1% din glicogen este stocat în mușchi , cu toate acestea, masa țesutului muscular este mult mai mare și, prin urmare, cantitatea totală de glicogen din mușchi este de 2 ori mai mare decât în ​​ficat. Glicogenul poate fi sintetizat în multe celule, cum ar fi neuroni , macrofage , celule de țesut adipos , dar conținutul său în aceste țesuturi este neglijabil. Organismul poate conține până la 450 g de glicogen.

Rezervele de carbohidrați din organismul unei persoane normale (cu o greutate de 70 kg) după masă. Tabelul arată cifrele medii.

Carbohidrați Procent și masă
glicogenul hepatic 4% = 72 g
glicogenul muscular 0,7% = 245 g
Glucoza extracelulară 0,1% = 10 g
Total 327 g

Trebuie subliniat faptul că sinteza și descompunerea glicogenului în celulă se realizează prin diferite căi metabolice. În special, s-a crezut că glicogen fosforilaza (fosforilaza a ) catalizează atât descompunerea, cât și sinteza glicogenului , deoarece experimentele in vitro s -a dovedit că reacția glicogen fosforilază este reversibilă. Cu toate acestea, mai târziu s-a descoperit că în celulă ( in vivo ) fosforilaza a catalizează doar descompunerea glicogenului, sinteza glicogenului este realizată de o enzimă complet diferită. Ambele procese (sinteză și descompunere) reglează glicemia și creează o rezervă de glucoză pentru munca musculară intensivă.

Defalcarea glicogenului hepatic servește în principal la menținerea nivelului de glucoză din sânge în perioada postabsorbtivă. Prin urmare, conținutul de glicogen din ficat variază în funcție de ritmul de nutriție . Cu postul prelungit , scade la aproape zero. Glicogenul muscular servește ca rezervă de glucoză  , o sursă de energie în timpul contracției musculare. Glicogenul muscular nu este utilizat pentru a menține nivelul de glucoză din sânge. După cum am menționat mai devreme, celulele musculare nu au enzima glucoză-6-fosfatază, iar formarea glucozei libere este imposibilă. Consumul de glicogen în mușchi depinde în principal de activitatea fizică.

Glicogeneza

Glicogenul este sintetizat în timpul digestiei (1-2 ore după aportul de carbohidrați). Sinteza glicogenului din glucoză , ca orice proces anabolic, este endergonic , adică necesită energie.

Glucoza care intră în celulă este fosforilată cu participarea ATP . Glucoza-6-fosfatul este apoi transformat într-o reacție reversibilă în glucoză-1-fosfat prin acțiunea enzimei fosfoglucomutazei. Glucoza-1-fosfat, în funcție de starea termodinamică, ar putea servi ca substrat pentru sinteza glicogenului. Dar datorită reversibilității reacției glucoză-6-fosfat ↔ glucoză-1-fosfat, sinteza glicogenului din glucoză-1-fosfat și descompunerea acestuia ar fi, de asemenea, reversibile și, prin urmare, necontrolabile. Pentru ca sinteza glicogenului să fie ireversibilă termodinamic, este necesară o etapă suplimentară pentru a forma UDP-glucoză din UTP și glucoză-1-fosfat. Enzima care catalizează această reacție poartă numele de reacția inversă: UDP-glucopirofosforilază. Cu toate acestea, reacția inversă nu are loc în celulă, deoarece pirofosfatul format în timpul reacției directe este scindat foarte rapid de pirofosfatază în 2 molecule de fosfat.

Reacția de formare a UDP-glucozei determină ireversibilitatea întregii serii de reacții care apar în timpul sintezei glicogenului . Acest lucru explică și imposibilitatea defalcării glicogenului prin simpla inversare a procesului de sinteză a acestuia.

UDP-glucoza formată este utilizată în continuare ca donor al reziduului de glucoză în sinteza glicogenului. Această reacție este catalizată de enzima glicogen sintetaza (glucoziltransferaza). Deoarece această reacție nu folosește ATP , enzima este numită sintază mai degrabă decât sintetază. Partea nucleotidă a UDP-glucozei joacă un rol esențial în acțiunea glicogen sintetazei, acționând ca un „mâner” cu care enzima poziționează glucoza în lanțul polizaharidic în poziția dorită. În plus, porțiunea de nucleotide a UDP-glucozei pare să fie necesară pentru recunoașterea substratului în timpul catalizei.

Deoarece glicogenul dintr-o celulă nu este niciodată complet descompus, sinteza glicogenului se realizează prin alungirea unei molecule de polizaharide deja existente, numită „sămânță” sau „amors”. Moleculele de glucoză sunt atașate secvenţial de „sămânţă”. Structura moleculei „sămânță” predetermina, parcă, tipul de legătură care apare în reacția de transglicozilare. Astfel, se sintetizează o polizaharidă, asemănătoare ca structură cu cea „sămânță”. Compoziția „sămânței” poate include proteina glicogenină , în care un lanț de oligozaharidă (aproximativ 8 reziduuri de glucoză) este atașat la grupa OH a unuia dintre resturile de tirozină . Reziduurile de glucoză sunt transferate de glicogen sintetaza la capătul nereducător al oligozaharidei și sunt legate prin legături α-1,4-glicozidice. La sfârșitul sintezei, glicogenina rămâne încorporată în granula de glicogen.

Structura ramificată a glicogenului se formează cu participarea amil-1,4 → 1,6-glucoziltransferazei , numită enzimă de ramificare .  Odată ce glicogen sintaza extinde regiunea liniară până la aproximativ 11 resturi de glucoză , enzima de ramificare își transferă blocul terminal, care conține 6-7 resturi, la un rest de glucoză intern al acestui lanț sau al altuia. La punctul de ramificare, restul terminal de glucoză al oligozaharidei se combină cu gruparea hidroxil în poziţia C6 pentru a forma o legătură a-1,6-glicozidică. Un nou punct de ramificare poate fi format la o distanță de cel puțin 4 reziduuri de oricare dintre cele existente. Astfel, pe măsură ce glicogenul este sintetizat, numărul ramurilor crește de multe ori. Capetele lanțurilor servesc ca puncte de creștere ale moleculei în timpul sintezei și începutul în timpul dezintegrarii sale.

Glicogenoliza

Defalcarea glicogenului sau mobilizarea acestuia are loc ca răspuns la o creștere a nevoii de glucoză a organismului . Glicogenul hepatic se descompune în principal în intervalele dintre mese, în plus, acest proces în ficat și mușchi este accelerat în timpul muncii fizice. Descompunerea glicogenului are loc prin scindarea secvenţială a reziduurilor de glucoză sub formă de glucoză-1-fosfat. Legătura glicozidică este scindată folosind fosfat anorganic, astfel încât procesul se numește fosforoliză, iar enzima este glicogen fosforilază.

Ca și sinteza, descompunerea glicogenului începe la capătul nereducător al lanțului polizaharidic. În același timp, prezența unei structuri ramificate a glicogenului facilitează eliberarea rapidă a reziduurilor de glucoză, deoarece cu cât o moleculă de glicogen are mai multe capete, cu atât mai multe molecule de glicogen fosforilază pot acționa simultan.

Glicogen fosforilaza scindează numai legături α-1,4-glicozidice. Scindarea secvenţială a resturilor de glucoză se opreşte atunci când 4 monomeri rămân înaintea punctului de ramificare. O caracteristică similară în acțiunea glicogen fosforilazei se datorează dimensiunii și structurii centrului său activ.

Descompunerea ulterioară a glicogenului necesită participarea altor două enzime. În primul rând, cele trei reziduuri de glucoză rămase până la punctul de ramificare sunt transferate cu participarea oligozaharid transferazei la capătul nereducător al lanțului adiacent, prelungindu-l și creând astfel condiții pentru acțiunea fosforilazei. Reziduul de glucoză rămas în punctul de ramificare este scindat hidrolitic cu ajutorul α-1,6-glucozidazei sub formă de glucoză liberă, după care situsul glicogenului neramificat poate fi din nou atacat de fosforilază.

Se crede că transferul a trei reziduuri de glucoză și îndepărtarea monomerului din punctul de ramificare este catalizată de aceeași enzimă, care are două activități enzimatice diferite - transferază și glicozidază. Se numește enzimă „debranching” (din engleză, debranching enzyme ).

Produsul glicogen fosforilazei, glucoza-1-fosfat, este apoi izomerizat la glucoză-6-fosfat de către fosfoglucomutază. În plus, glucoza-6-fosfatul este inclus în procesul de catabolism sau în alte căi metabolice. În ficat (dar nu în mușchi), glucoza-6-fosfatul poate fi hidrolizat pentru a forma glucoză, care este eliberată în sânge . Această reacție este catalizată de enzima glucozo-6-fosfatază. Reacția are loc în lumenul RE ( reticulul endoplasmatic ), unde glucoza-6-fosfatul este transportat cu ajutorul unei proteine ​​speciale. Enzima este localizată pe membrana ER în așa fel încât centrul său activ să fie orientat spre lumenul ER. Produsele de hidroliză (glucoză și fosfat anorganic) sunt, de asemenea, returnate în citoplasmă cu ajutorul sistemelor de transport.

Glicogenoliza în ficat

S-a stabilit că atunci când glicogenoliza este stimulată de catecolamine în ficat , receptorii α1 acţionează ca mediatori principali . În acest caz, are loc mobilizarea independentă de CAMP a ionilor de Ca 2+ și tranziția lor de la mitocondrii la citosol , unde ei stimulează fosforilaz kinaza sensibilă la Ca 2+ /calmodulină. Fosforilaza mușchilor scheletici , spre deosebire de fosforilaza hepatică, nu este activată de glucagon . Rețineți că fosforilaza musculară cardiacă este activată de acest hormon . O altă diferență importantă este inhibarea proteinei fosfatazei-1 hepatice de către forma activă a fosforilazei.

Semnificația biologică a metabolismului glicogenului în ficat și mușchi

Compararea acestor procese ne permite să tragem următoarele concluzii:

  1. sinteza și descompunerea glicogenului se desfășoară prin diferite căi metabolice;
  2. Ficatul stochează glucoza sub formă de glicogen, nu atât pentru nevoile proprii, cât pentru a menține o concentrație constantă de glucoză în sânge și, prin urmare, asigură furnizarea de glucoză către alte țesuturi. Prezența glucozei-6-fosfatazei în ficat determină această funcție principală a ficatului în metabolismul glicogenului;
  3. funcția glicogenului muscular este de a elibera glucoză-6-fosfat consumat în mușchi însuși pentru oxidare și utilizarea energiei;
  4. sinteza glicogenului este un proces endergonic . Deci, pentru includerea unui rest de glucoză în lanțul polizaharidic, se utilizează 1 mol de ATP și 1 mol de UTP;
  5. descompunerea glicogenului în glucoză-6-fosfat nu necesită energie;
  6. ireversibilitatea proceselor de sinteza si defalcare a glicogenului este asigurata de reglarea acestora.

Reglarea metabolismului glicogenului

Procesele de acumulare a glucozei sub formă de glicogen și defalcarea acestuia trebuie să fie în concordanță cu nevoile organismului de glucoză ca sursă de energie. Fluxul simultan al acestor căi metabolice este imposibil, deoarece în acest caz se formează un ciclu „inactiv”, a cărui existență duce numai la risipa inutilă de ATP .

O schimbare în direcția proceselor în metabolismul glicogenului este asigurată de mecanismele de reglare în care sunt implicați hormonii. Trecerea proceselor de sinteză și mobilizare a glicogenului are loc atunci când perioada de absorbție se schimbă în postabsorbtivă sau starea de odihnă a corpului la modul de lucru fizic. În ficat , hormonii insulina , glucagonul și adrenalina sunt implicați în comutarea acestor căi metabolice și în mușchi  , insulina și adrenalina.

Caracteristicile hormonilor care reglează metabolismul glicogenului

Semnalul principal pentru sinteza și secreția de insulină și glucagon este modificarea nivelului de glucoză din sânge. În mod normal, concentrația de glucoză din sânge corespunde cu 3,3-5,5 mmol / l (60-100 mg / dl).

Insulina este un hormon  peptidicsintetizat și secretat în sânge de celulele β ale insulelor Langerhans ale pancreasului , care sunt sensibile la modificările glicemiei și secretă insulină ca răspuns la creșterea conținutului său după masă. Proteina de transport ( GLUT-2 ), care asigură intrarea glucozei în celulele β, are o afinitate scăzută pentru aceasta. În consecință, această proteină transportă glucoza în celula pancreatică numai după ce conținutul său din sânge este peste nivelul normal (mai mult de 5,5 mmol / l).

În celulele β , glucoza este fosforilată de glucokinază, care are, de asemenea, un Km mare pentru glucoză - 12 mmol/L. Rata de fosforilare a glucozei de către glucokinază în celulele β este direct proporțională cu concentrația acesteia în sânge.

Sinteza insulinei este reglată de glucoză. Glucoza (sau metaboliții săi) pare să fie direct implicată în reglarea expresiei genei insulinei. Secreția de insulină și glucagon este, de asemenea, reglată de glucoză, care stimulează secreția de insulină din celulele β și suprimă secreția de glucagon din celulele α. În plus, insulina în sine reduce secreția de glucagon .

Glucagonul  este „hormonul foamei” produs de celulele α ale pancreasului ca răspuns la scăderea nivelului de glucoză din sânge. Din punct de vedere chimic, glucagonul este o peptidă .

Adrenalina este eliberată din celulele medulei suprarenale ca răspuns la semnalele de la sistemul nervos care vin din creier atunci când apar situații extreme (cum ar fi zborul sau lupta) care necesită o activitate musculară bruscă. Adrenalina este un semnal de „alarma”. Ar trebui să ofere instantaneu muşchilor şi creierului o sursă de energie.

Reglarea glicogen fosforilazei și a activității glicogen sintazei

Deoarece sinteza și descompunerea glicogenului au loc prin diferite căi metabolice, aceste procese pot fi controlate reciproc (reciproc). Influența hormonilor asupra sintezei și descompunerii glicogenului se realizează prin modificarea în direcții opuse a activității a două enzime cheie: glicogen sintetaza și glicogen fosforilaza prin fosforilarea și defosforilarea lor.

Glicogen fosforilaza există sub 2 forme:

1) fosforilat - activ (forma a);
2) defosforilat - inactiv (forma c).

Fosforilarea se realizează prin transferul unui reziduu fosfat din ATP la gruparea hidroxil a unuia dintre resturile serină ale enzimei. Consecința acestui lucru este modificările conformaționale ale moleculei de enzimă și activarea acesteia.

Transformările reciproce a 2 forme de glicogen fosforilază sunt asigurate de acțiunea enzimelor fosforilază kinază și fosfoprotein fosfatază (o enzimă înrudită structural cu moleculele de glicogen). La rândul său, activitatea fosforilaz kinazei și fosfoprotein fosfatazei este, de asemenea, reglată de fosforilare și defosforilare.

Activarea fosforilaz kinazei are loc sub acțiunea protein kinazei A - PKA (dependent de cAMP). cAMP activează mai întâi protein kinaza A, care fosforilează fosforilază kinaza, transformând-o într-o stare activă, care, la rândul său, fosforilează glicogen fosforilaza. Sinteza cAMP este stimulată de adrenalină și glucagon .

Activarea fosfoprotein fosfatazei are loc ca urmare a unei reacții de fosforilare catalizată de o protein kinază specifică, care, la rândul ei, este activată de insulină printr-o cascadă de reacții care implică proteina Ras, precum și alte proteine ​​și enzime. Protein kinaza activată de insulină fosforilează și, prin urmare, activează fosfoprotein fosfataza. Fosfoprotein fosfataza activă defosforilează și, prin urmare, inactivează fosforilază kinaza și glicogen fosforilaza.

Activitatea glicogen sintazei se modifică, de asemenea, ca urmare a fosforilării și defosforilării. Cu toate acestea, există diferențe semnificative în reglarea glicogen fosforilazei și glicogen sintetazei:

  • fosforilarea glicogen sintetazei catalizează PK A și provoacă inactivarea acesteia;
  • defosforilarea glicogen sintetazei sub acțiunea fosfoprotein fosfatazei, dimpotrivă, o activează.

Reglarea metabolismului glicogenului în ficat

Insulina și glucagonul sunt prezente în mod constant în sânge, dar atunci când perioada de absorbție se schimbă în perioada postabsorbtivă, concentrația lor relativă se modifică, care este principalul factor care schimbă metabolismul glicogenului în ficat. Raportul dintre concentrația de insulină din sânge și concentrația de glucagon se numește „ indice de insulină-glucagon ”. În perioada post-absorbtivă, indicele de insulină-glucagon scade, iar concentrația de glucagon devine crucială în reglarea concentrației de glucoză din sânge.

Glucagonul pentru hepatocite servește ca un semnal extern despre necesitatea eliberării glucozei în sânge din cauza descompunerii glicogenului (glicogenoliza) sau sintezei glucozei din alte substanțe - gluconeogeneza (acest proces va fi descris mai târziu) . Hormonul se leagă de un receptor de pe membrana plasmatică și activează, mediat de proteina G, adenilat ciclaza, care catalizează formarea cAMP din ATP . Aceasta este urmată de o cascadă de reacții care duc în ficat la activarea glicogen fosforilazei și inhibarea glicogen sintetazei. Acest mecanism duce la eliberarea de glucoză-1-fosfat din glicogen, care este transformat în glucoză-6-fosfat. Apoi, sub influența glucozo-6-fosfatazei, se formează glucoză liberă, care poate lăsa celula în sânge. Astfel, glucagonul din ficat, prin stimularea descompunerii glicogenului, ajută la menținerea glicemiei la un nivel constant.

Adrenalina stimulează excreția de glucoză din ficat în sânge pentru a furniza țesuturilor (în principal creierului și mușchilor ) „combustibil” în caz de urgență. Efectul adrenalinei în ficat se datorează fosforilării (și activării) glicogen fosforilazei. Adrenalina are un mecanism de acțiune similar cu glucagonul.

Dar este, de asemenea, posibil să activați un alt sistem efector de transmitere a semnalului către celula hepatică.

Ce sistem de transducție a semnalului în celulă va fi utilizat depinde de tipul de receptori cu care interacționează adrenalina. Astfel, interacțiunea adrenalinei cu receptorii β2 ai celulelor hepatice activează sistemul de adenil-ciclază. Interacțiunea adrenalinei cu receptorii α 1 „pornește” mecanismul de inozitol fosfat de transmitere transmembranară a semnalului hormonal. Rezultatul acțiunii ambelor sisteme este fosforilarea enzimelor cheie și trecerea proceselor de la sinteza glicogenului la descompunerea acestuia. Tipul de receptor care este cel mai implicat în răspunsul celulei la adrenalină depinde de concentrația acesteia în sânge.

În perioada de digestie predomină influența insulinei, deoarece indicele insulină-glucagon în acest caz crește. În general, insulina afectează metabolismul glicogenului în mod opus glucagonului. Insulina reduce concentrația de glucoză din sânge în timpul digestiei, acționând asupra metabolismului hepatic după cum urmează:

  • reduce nivelul de cAMP din celule prin fosforilare (indirect prin calea Ras) și prin aceasta activând protein kinaza B (independentă de cAMP). Protein kinaza B, la rândul său, fosforilează și activează cAMP fosfodiesteraza, o enzimă care hidrolizează cAMP pentru a forma AMP.
  • activează (prin calea Ras) fosfoprotein fosfataza granulelor de glicogen, care defosforilează glicogen sintaza și astfel o activează. În plus, fosfoprotein fosfataza defosforilează și, prin urmare, inactivează fosforilază kinaza și glicogen fosforilaza;
  • induce sinteza glucokinazei, accelerând astfel fosforilarea glucozei în celulă. Trebuie amintit că valoarea Km a glucokinazei, care este mult mai mare decât valoarea Km a hexokinazei, este, de asemenea, un factor de reglare în metabolismul glicogenului. Semnificația acestor diferențe este clară: ficatul nu trebuie să consume glucoză pentru sinteza glicogenului dacă cantitatea acestuia în sânge se află în limitele normale.

Toate acestea împreună conduc la faptul că insulina activează simultan glicogen sintetaza și inhibă glicogen fosforilaza, trecând procesul de mobilizare a glicogenului la sinteza acestuia.

În ficat, există și reglarea alosterică a glicogen fosforilazei, care asigură necesarul de glucoză intracelulară, dar semnalele hormonale au prioritate față de cele intracelulare și urmăresc alte obiective fiziologice.

Reglarea metabolismului glicogenului în mușchi

Reglarea metabolismului glicogenului în mușchii scheletici asigură atât o muncă intensivă a mușchilor (de exemplu, alergare sau luptă), cât și un consum de energie în repaus cu material energetic.

In situatii extreme in celulele musculare, mobilizarea glicogenului este accelerata de adrenalina. Legarea adrenalinei de receptorii β asociați cu sistemul de adenil ciclază duce la formarea cAMP în celulă, apoi la fosforilarea și activarea fosforilaz kinazei și glicogen fosforilazei .

Formarea cAMP , stimulată de adrenalină, servește ca semnal pentru creșterea producției de energie ca urmare a accelerației defalcării glicogenului. În timpul descompunerii formate din glicogen glucoză-6-fosfat este sintetizat ATP .

Inactivarea glicogen sintazei sub influența adrenalinei în celulele musculare se desfășoară în același mod ca și în ficat.

În repaus , la concentrații scăzute de adrenalină în sânge, glicogen fosforilaza musculară este într-o stare defosforilată - inactivă (forma B), dar încă mai are loc descompunerea glicogenului. Acest lucru se datorează faptului că glicogen fosforilaza este activată într-un mod care nu este asociat cu fosforilarea sa, deoarece nivelul cAMP din celulă este scăzut. În această situație, are loc activarea alosterică a glicogen fosforilazei B. Activatorii enzimei sunt AMP și H3PO4 , care se formează în celulă în timpul descompunerii ATP .

Cu contracții musculare moderate, adică într-o situație care nu necesită participarea la reglarea cAMP, fosforilaz kinaza este activată alosteric. În acest caz, ionii de Ca 2+ servesc ca efectori alosterici , a căror concentrație crește brusc odată cu contracția musculară ca răspuns la un semnal de la nervul motor. Activitatea enzimei scade de îndată ce concentrația de Ca 2+ în celulă scade după primirea semnalului de relaxare musculară. Astfel, rolul ionilor de Ca 2+ nu este doar de a iniția contracția musculară, ci și de a-i asigura consumul de energie.

Activarea fosforilaz kinazei de către ionii de Ca 2+ este mediată de calmodulină. Calmodulina în acest caz este o subunitate strâns legată a enzimei. Fosforilază kinaza musculară este formată din 4 tipuri de subunități: α, β, γ și δ, combinate într-un complex. Enzima include 4 astfel de complexe. Subunitatea y are activitate catalitică. Subunitățile α și β îndeplinesc o funcție de reglare. Conțin resturi de serină fosforilate de piruvat kinaza A. Subunitatea 5 leagă 4 ioni de calciu; este identic cu proteina calmodulină. Legarea ionilor de calciu determină o modificare conformațională, ceea ce duce la activarea centrului catalitic al subunității y, deși molecula rămâne în stare defosforilată.

În mușchi în timpul digestiei , dacă aceasta coincide cu starea de repaus, sinteza glicogenului este stimulată. Munca musculară în timpul digestiei încetinește procesul de sinteză a glicogenului, deoarece în acest caz mușchii folosesc glucoza din sânge provenită din intestine pentru oxidare .

Insulina este implicată în comutarea mobilizării glicogenului în stocarea glucozei . După cum sa menționat deja, glucoza pătrunde în celulele musculare și adipoase cu ajutorul proteinei transportoare de glucoză GLUT-4. Transportatorii în absența insulinei sunt localizați în citoplasma celulelor, iar glucoza nu este utilizată de celule, deoarece nu există proteine ​​purtătoare în membrană. Insulina stimulează mișcarea GLUT-4 și încorporarea lor în membrana celulară. Mecanismul unui astfel de efect al insulinei nu a fost studiat suficient, dar au fost determinate etapele sale principale. Lanțul de evenimente când insulina stimulează absorbția de glucoză de către celulele musculare și adipoase este după cum urmează:

  • receptor de insulină (IR) - tirozin protein kinaza stimulată de insulină - un mediator obligatoriu al tuturor acțiunilor insulinei;
  • IR activat de insulină fosforilează proteinele substratului insulinei citoplasmatice specifice (IRS);
  • substratul fosforilat (în principal IRS-1) se leagă de fosfatidilinozitol-3-kinaza (PI-3-kinaza) și activează această enzimă;
  • PHI-3-kinaza activă catalizează fosforilarea la poziţia 3 a unui număr de componente ale sistemului de semnalizare a fosfatului de inozitol, conducând la stimularea translocării (mişcării) GLUT de la citosol la membrana plasmatică;
  • Glucoza pătrunde în celulele musculare cu ajutorul GLUT-4 și este inclusă în sinteza glicogenului.

Influența insulinei asupra ratei sintezei glicogenului în mușchi se realizează printr-o modificare a activității glicogen sintetazei și a glicogen fosforilazei - enzime cheie, așa cum sa menționat deja când se discută efectul insulinei asupra metabolismului glicogenului în ficat.

Catabolismul glucozei

Catabolismul glucozei se referă la descompunerea acesteia în organism sub acțiunea proceselor enzimatice care apar odată cu formarea unei rezerve de energie sub formă de ATP și eliberarea așa-numitelor „deșeuri” PVC , lactat, etanol , acid butiric etc. Catabolismul glucozei este principalul furnizor de energie pentru procesele vitale ale organismului.

Principalele căi ale catabolismului glucozei

Oxidarea glucozei la CO 2 și H 2 O (descompunere aerobă). Defalcarea aerobă a glucozei poate fi exprimată prin ecuația generală:

Acest proces include mai multe etape:

  • Glicoliza aerobă este procesul de oxidare a glucozei cu formarea a două molecule de piruvat;
  • Calea generală de catabolism, inclusiv conversia piruvatului în acetil-CoA și oxidarea ulterioară a acestuia în ciclul citratului;
  • CPE pentru oxigen, cuplat cu reacții de dehidrogenare care apar în timpul descompunerii glucozei

În anumite situații, furnizarea de oxigen către țesuturi poate să nu satisfacă nevoile acestora. De exemplu, în etapele inițiale ale lucrului muscular intens sub stres, ritmul cardiac poate să nu atingă frecvența dorită, iar necesarul de oxigen al mușchilor pentru descompunerea glucozei aerobe este mare. În astfel de cazuri, este activat un proces care se desfășoară fără oxigen și se termină cu formarea de lactat din acid piruvic. Acest proces se numește descompunere anaerobă sau glicoliză anaerobă. Defalcarea anaerobă a glucozei nu este eficientă din punct de vedere energetic, dar tocmai acest proces poate deveni singura sursă de energie pentru o celulă musculară în situația descrisă. În viitor, atunci când furnizarea de oxigen a mușchilor este suficientă ca urmare a trecerii inimii la un ritm accelerat, dezintegrarea anaerobă trece la aerobă.

Glicoliza

Glicoliza este unul dintre procesele enzimatice secvențiale complexe, în urma căruia glucoza este descompusă și ATP este simultan sintetizat . Denumirea „ glicoliză ” provine din greacă. γλυκός, glykos  - dulce și grecesc. λύσης, liză  - dizolvare.

Glicoliză anaerobă

Într-un proces anaerob care nu necesită un lanț respirator mitocondrial, ATP este produs prin două reacții de fosforilare a substratului.

În timpul glicolizei anaerobe , toate cele 10 reacții identice cu glicoliza aerobă au loc în citosol . Doar reacția 11, în care piruvatul este redus de NADH citosolic, este specifică pentru glicoliza anaerobă. Reducerea piruvatului la lactat este catalizată de lactat dehidrogenază (reacția este reversibilă, iar enzima poartă numele reacției inverse). Cu ajutorul acestei reacții, regenerarea NAD + din NADH este asigurată fără participarea lanțului respirator mitocondrial în situații asociate cu furnizarea insuficientă de oxigen a celulelor . Rolul de acceptor de hidrogen din NADH (ca oxigenul din lanțul respirator) este îndeplinit de piruvat. Astfel, semnificația reacției de reducere a piruvatului nu constă în formarea lactatului, ci în faptul că această reacție citosolică asigură regenerarea NAD + . În plus, lactatul nu este un produs final metabolic care este eliminat din organism. Această substanță este excretată în sânge și utilizată, transformându-se în glucoză în ficat , sau, atunci când oxigenul este disponibil, se transformă în piruvat, care intră pe calea generală de catabolism , fiind oxidat în CO2 și H2O .

Reacții de glicoliză anaerobă Fosforilarea moleculei de D-glucoză

Prima reacție a glicolizei este fosforilarea unei molecule de glucoză, care are loc cu participarea enzimei hexokinaze specifice țesutului cu consumul de energie a 1 moleculă de ATP; se formează forma activă a glucozei - glucoză-6-fosfat ( G-6-P ):

Fosforilarea glucozei are două obiective: în primul rând, deoarece membrana plasmatică , care este permeabilă la o moleculă neutră de glucoză, nu permite trecerea moleculelor G-6-P încărcate negativ, glucoza fosforilată este blocată în interiorul celulei. În al doilea rând, în timpul fosforilării, glucoza este transformată într-o formă activă care poate participa la reacții biochimice și poate fi inclusă în ciclurile metabolice.

Izoenzima hepatică a hexokinazei, glucokinaza  , joacă un rol important în reglarea nivelului de glucoză din sânge.

2. Izomerizarea glucozei-6-fosfatului la fructoză-6-fosfatului

În a doua reacție, G-6-P este transformat de enzima fosfoglucoizomeraza în fructoză-6-fosfat ( P-6-P ):

Nu este necesară energie pentru această reacție, iar reacția este complet reversibilă. În această etapă, fructoza poate fi inclusă și în procesul de glicoliză prin fosforilare .

3. Fosfatarea fructoză-6-fosfatului pentru a forma fructoză-1,6-difosfat

Fosforilarea F-6-F este efectuată de fosfofructokinază cu cheltuirea de energie a unei alte molecule de ATP; aceasta este a doua reacție cheie a glicolizei, reglarea acesteia determină intensitatea glicolizei în ansamblu. Această reacție este ireversibilă.

4. Defalcarea fructozei-1,6-difosfatului în gliceraldehidă-3-fosfat și dihidroxiacetonă fosfat

Scindarea aldolică a F-1,6-bF are loc sub acțiunea fructozo-1,6-bisfosfat aldolazei :

Reacția este reversibilă. Echilibrul este puternic deplasat către dihidroxiacetonă fosfat: 95% dihidroxiacetonă fosfat și 5% gliceraldehidă-3-fosfat. Formarea gliceraldehidei-3-fosfatului, parcă, completează prima etapă a glicolizei. A doua etapă este cea mai complexă și importantă, include o reacție redox (reacție glicolitică oxidativă de reducere) asociată cu fosforilarea substratului, în timpul căreia se formează ATP.

5. Interconversia fosfaților de trioză

Ca rezultat al celei de-a patra reacții, se formează dihidroxiacetonă fosfat și gliceraldehidă-3-fosfat , iar primul trece aproape imediat în a doua sub acțiunea fosfotriozei izomerazei , care este implicată în transformări ulterioare:

6. Oxidarea gliceraldehidei-3-fosfatului la 1,3-bisfosfoglicerat

Fiecare moleculă de gliceraldehidă fosfat este oxidată de NAD + în prezența gliceraldehidă fosfat dehidrogenază la 1,3-bisfosfoglicerat :

7. Transferul unei grupări fosfat de la 1,3-bisfosfoglicerat la ADP

Din 1,3-bisfosfogliceratul rezultat , care conține o legătură macroergică în poziția 1, enzima fosfoglicerat kinaza transferă un reziduu de acid fosforic într-o moleculă ADP - se formează o moleculă ATP :

Aceasta este prima reacție de fosforilare a substratului. Din acest moment, procesul de descompunere a glucozei încetează să fie neprofitabil din punct de vedere energetic, deoarece costurile energetice ale primei etape se dovedesc a fi compensate: se sintetizează 2 molecule de ATP (una pentru fiecare 1,3-bisfosfoglicerat ) în loc de două cheltuite în reacţiile 1 şi 3 . Pentru ca această reacție să apară, este necesară prezența ADP în citosol, adică cu un exces de ATP în celulă (și cu o lipsă de ADP), rata acestuia scade. Deoarece ATP, care nu este metabolizat, nu se depune în celulă, ci este pur și simplu distrus, această reacție este un regulator important al glicolizei.

8. Izomerizarea 3-fosfogliceratului la 2-fosfoglicerat

Această reacție este însoțită de un transfer intramolecular al grupării fosfat rămase, iar acidul 3-fosfogliceric este transformat în acid 2-fosfogliceric ( 2-fosfoglicerat ):

Reacția este ușor reversibilă și are loc în prezența ionilor de Mg2+ . Cofactorul enzimei este acidul 2,3-bisfosfogliceric, similar modului în care glucoza-1,6-difosfatul joacă rolul unui cofactor în reacția fosfoglucomutazei.

9. Deshidratarea 2-fosfogliceratului pentru a forma fosfoenolpiruvat

Această reacție este catalizată de enolază , în timp ce 2-fosfogliceratul, ca urmare a eliminării unei molecule de apă, trece în fosfoenolpiruvat (PEP), iar legătura fosfatului din poziția 2 devine puternic-ergică:

Enolaza este activată de cationi divalenți Mg 2+ sau Mn 2+ și inhibată de fluor.

10. Transferul unei grupări fosfat de la fosfoenolpiruvat la ADP

A zecea reacție este caracterizată prin ruperea legăturii de înaltă energie și transferul reziduului de fosfat de la PEP la ADP ( fosforilarea substratului ). Catalizată de enzima piruvat kinază:

Pentru acțiunea piruvat kinazei sunt necesari ioni de Mg 2+ , precum și cationi monovalenți de metale alcaline (K + sau alții). În interiorul celulei, reacția este practic ireversibilă.

11. Reducerea piruvatului la lactat

Ca rezultat al acestei reacții, piruvatul este redus la lactat sub acțiunea enzimei LDH și a coenzimei NADH, care se formează în reacția 6:

Aceasta este ultima reacție cheie a glicolizei. Izomerizarea formei enolice de piruvat la piruvat are loc neenzimatic.

Echilibrul ATP în glicoliza anaerobă

Glicoliza anaerobă este mai puțin eficientă decât glicoliza aerobă (în glicoliza aerobă , din 1 mol de glucoză se formează 38 de moli de ATP ). În acest proces, catabolismul a 1 mol de glucoză fără participarea lanțului respirator mitocondrial este însoțit de sinteza a 2 moli de ATP și 2 moli de lactat. ATP se formează prin 2 reacții de fosforilare a substratului. Deoarece glucoza se descompune în 2 fosfotrioze, ținând cont de coeficientul stoechiometric egal cu 2, numărul de moli de ATP sintetizat este de 4. Considerând 2 moli de ATP utilizați în prima etapă a glicolizei, obținem efectul energetic final al procesului egal. la 2 moli de ATP. Astfel, 10 enzime citosolice care catalizează conversia glucozei în piruvat , împreună cu lactat dehidrogenaza , asigură sinteza a 2 moli de ATP (per 1 mol de glucoză) în glicoliza anaerobă fără participarea oxigenului .

Semnificația glicolizei anaerobe

Glicoliza anaerobă, în ciuda unui efect energetic mic, este principala sursă de energie pentru mușchii scheletici în perioada inițială de muncă intensivă, adică în condițiile în care aportul de oxigen este limitat. În plus, eritrocitele mature extrag energie din oxidarea anaerobă a glucozei deoarece nu au mitocondrii [5] .

Glicoliză aerobă

Glicoliza aerobă este procesul prin care glucoza este oxidată la acid piruvic în prezența oxigenului. Toate enzimele care catalizează reacțiile acestui proces sunt localizate în citosolul celulei.

Glicoliza aerobă este calea principală pentru producerea de energie în celulele corpului. Poate proceda atât direct (apotomic, sau, așa cum se numește pentoză fosfat), cât și indirect (dihotomic). Ca urmare a oxidării indirecte, glucoza se descompune complet în dioxid de carbon și apă și, în același timp, este eliberată o cantitate mare de energie ( ΔQ = 2870 kJ / mol)

În glicoliza aerobă se pot distinge 2 etape:

  1. Etapa pregătitoare în care glucoza este fosforilată și împărțită în două molecule de fosfotrioză. Această serie de reacții are loc folosind 2 molecule de ATP .
  2. Etapa asociată cu sinteza ATP. Ca rezultat al acestei serii de reacții, fosfotriozele sunt transformate în piruvat . Energia eliberată în această etapă este folosită pentru a sintetiza 10 moli de ATP.
Reacții de glicoliză aerobă Conversia glucozei-6-fosfatului în 2 molecule de gliceraldehidă-3-fosfat

Glucoza-6-fosfatul , format ca urmare a fosforilării glucozei asistată de ATP, este transformat în fructoză-6-fosfat în timpul următoarei reacții . Această reacție reversibilă de izomerizare are loc sub acțiunea enzimei glucozofosfat izomerazei.

Aceasta este urmată de o altă reacție de fosforilare folosind reziduul de fosfat și energia ATP. În timpul acestei reacții, catalizată de fosfofructokinază, fructoza-6-fosfatul este transformat în fructoză-1,6-difosfat. Această reacție, ca și hexokinaza, este practic ireversibilă și, în plus, este cea mai lentă dintre toate reacțiile de glicoliză. Reacția catalizată de fosfofructokinază determină viteza tuturor glicolizei, prin urmare, prin reglarea activității fosfofructokinazei, este posibilă modificarea ratei de catabolism a glucozei.

Fructoza 1,6-difosfat este scindată în continuare în 2 trioză fosfați: gliceraldehidă 3-fosfat și dihidroxiacetonă fosfat . Reacția este catalizată de enzima fructoză difosfat aldolază sau pur și simplu aldolază . Această enzimă catalizează atât reacția de clivaj aldolic, cât și reacția de condensare aldolică, adică reacția reversibilă. Produșii de reacție ai clivajului aldolic sunt izomeri. În reacțiile ulterioare de glicoliză, se utilizează numai gliceraldehidă-3-fosfat, prin urmare fosfatul de dihidroxiacetonă este transformat cu participarea enzimei triofosfat izomerazei în gliceraldehidă-3-fosfat.

În seria de reacții descrisă, fosforilarea are loc de două ori folosind ATP. Cu toate acestea, cheltuielile a două molecule de ATP (per moleculă de glucoză) vor fi apoi compensate prin sinteza mai multor ATP.

Conversia gliceraldehidei-3-fosfatului în piruvat

Această parte a glicolizei aerobe include reacțiile asociate cu sinteza ATP. Cea mai complexă reacție din această serie de reacții este conversia gliceraldehidei-3-fosfatului în 1,3-disfosfoglicerat. Această transformare este prima reacție de oxidare în timpul glicolizei . Reacția este catalizată de gliceraldehida-3-fosfat dehidrogenază, care este o enzimă dependentă de NAD. Semnificația acestei reacții constă nu numai în faptul că se formează o coenzimă redusă , a cărei oxidare în lanțul respirator este asociată cu sinteza ATP, ci și în faptul că energia liberă de oxidare este concentrată în macroergic. legătura produsului de reacție. Gliceraldehida-3-fosfat dehidrogenaza conține un reziduu de cisteină în centrul activ , a cărui grupare sulfhidril este direct implicată în cataliză. Oxidarea gliceraldehidei-3-fosfatului duce la reducerea NAD și formarea, cu participarea H 3 PO 4, a unei legături anhidride de înaltă energie în 1,3-disfosfoglicerat la poziția 1. În următoarea reacție, fosfatul de înaltă energie este transferat în ADP cu formarea de ATP. Enzima care catalizează această transformare poartă numele fosfoglicerat kinazei de reacție inversă (kinazele sunt denumite după substratul situat pe aceeași parte a ecuației de reacție cu ATP).

Producția de ATP în acest mod nu este legată de lanțul respirator și este denumită fosforilarea substratului ADP . 3-fosfogliceratul format nu mai conține o legătură macroergică . În următoarele reacții, apar rearanjamente intramoleculare, a căror semnificație se rezumă la faptul că un fosfoester cu energie scăzută trece într-un compus care conține un fosfat cu energie înaltă. Transformările intramoleculare constau în transferul unui reziduu de fosfat din poziția 3 în fosfoglicerat în poziția 2. Apoi o moleculă de apă este separată de 2-fosfogliceratul rezultat cu participarea enzimei enolaze. Denumirea enzimei de deshidratare provine de la reacția inversă. Ca rezultat al reacției, se formează un enol substituit - fosfoenolpiruvat . Fosfoenolpiruvatul rezultat este un compus macroergic, a cărui grupare fosfat este transferată în următoarea reacție la ADP cu participarea piruvat kinazei (enzima este numită și pentru reacția inversă în care piruvatul este fosforilat, deși o astfel de reacție nu ia loc în această formă).

Conversia fosfoenolpiruvatului în piruvat este o reacție ireversibilă. Aceasta este a doua reacție de fosforilare a substratului în timpul glicolizei. Forma enolică rezultată a piruvatului se transformă apoi neenzimatic în forma ceto mai stabilă termodinamic.

Oxidarea NADH citoplasmatică în lanțul respirator mitocondrial, sisteme de navetă

NADH, format în timpul oxidării gliceraldehidei-3-fosfatului în glicoliză aerobă, este oxidat prin transferul atomilor de hidrogen în lanțul respirator mitocondrial. Cu toate acestea, NADH citosolic este incapabil să transfere hidrogen în lanțul respirator , deoarece membrana mitocondrială este impermeabilă la acesta. Transferul hidrogenului prin membrană are loc cu ajutorul unor sisteme speciale numite „ navetă ”. În aceste sisteme , hidrogenul este transportat prin membrană cu participarea perechilor de substraturi legate de dehidrogenazele corespunzătoare, adică o dehidrogenază specifică este situată pe ambele părți ale membranei mitocondriale . Sunt cunoscute 2 sisteme de navetă. În primul dintre aceste sisteme, hidrogenul este transferat de la NADH în citosol la dihidroxiacetona fosfat de către enzima glicerol-3-fosfat dehidrogenază (enzima dependentă de NAD, numită după reacția inversă). Glicerol-3-fosfatul format în timpul acestei reacții este oxidat în continuare de enzima membranei mitocondriale interioare - glicerol-3-fosfat dehidrogenaza ( FAD  - enzimă dependentă). Apoi protonii și electronii din FADH 2 sunt transferați la ubichinonă și mai departe de-a lungul CPE. Sistemul de transfer de glicerol fosfat funcționează în celulele musculare albe și hepatocite. Cu toate acestea, glicerol-3-fosfat dehidrogenaza mitocondrială este absentă în celulele musculare cardiace . Al doilea sistem de navetă, care implică malat, citosol și malat dehidrogenaze mitocondriale, este mai universal. În citoplasmă, NADH reduce oxaloacetatul la malat (vezi figura, reacția 1), care, cu participarea purtătorului, trece în mitocondrii, unde este oxidat la oxaloacetat de către malat dehidrogenaza dependentă de NAD (reacția 2). NAD redus în timpul acestei reacții donează hidrogen CPE mitocondrial. Cu toate acestea, oxalacetatul format din malat nu poate ieși singur din mitocondrii în citosol, deoarece membrana mitocondrială este impermeabilă la acesta. Prin urmare, oxaloacetatul este transformat în aspartat, care este transportat în citosol , unde este transformat din nou în oxalacetat. Conversia oxaloacetatului în aspartat și invers este asociată cu adăugarea și eliminarea unei grupări amino. Acest sistem de navetă se numește malat-aspartat (vezi figura). Rezultatul muncii ei este regenerarea NAD + citoplasmatic din NADH.

Ambele sisteme de transfer diferă semnificativ în ceea ce privește cantitatea de ATP sintetizat . În primul sistem, raportul F/O este 2, deoarece hidrogenul este introdus în CPE la nivelul KoQ. Al doilea sistem este mai eficient din punct de vedere energetic, deoarece transferă hidrogen către CPE prin NAD + mitocondrial , iar raportul F/O este aproape de 3.

Echilibrul ATP în glicoliza aerobă

Formarea fructozei-1,6-bisfosfatului dintr-o moleculă de glucoză necesită 2 molecule de ATP . Reacțiile asociate cu sinteza ATP apar după descompunerea glucozei în 2 molecule de fosfotrioză, adică în a doua etapă a glicolizei . În această etapă, au loc 2 reacții de fosforilare a substratului și sunt sintetizate 2 molecule de ATP (reacțiile 7 și 10). În plus, o moleculă de gliceraldehidă-3-fosfat este dehidrogenată, iar NADH transferă hidrogen în CPE mitocondrial, unde 3 molecule de ATP sunt sintetizate prin fosforilare oxidativă. În acest caz, cantitatea de ATP (3 sau 2) depinde de tipul de sistem de navetă. Prin urmare, oxidarea la piruvat a unei molecule de gliceraldehidă-3-fosfat este asociată cu sinteza a 5 molecule de ATP. Avand in vedere ca din glucoza se formeaza 2 molecule de fosfotrioza, valoarea rezultata trebuie inmultita cu 2 si apoi scade 2 molecule de ATP consumate in prima etapa. Astfel, producția de ATP în timpul glicolizei aerobe este (5 × 2) - 2 = 8 ATP.

Randamentul de ATP în timpul descompunerii aerobe a glucozei în produsele finale

Ca rezultat al glicolizei, se formează piruvat, care este oxidat în continuare la CO2 și H20 într - o cale comună de catabolism. Acum este posibil să se evalueze eficiența energetică a glicolizei și calea generală de catabolism , care împreună constituie procesul de descompunere aerobă a glucozei în produsele finite.

Astfel, randamentul de ATP în timpul oxidării a 1 mol de glucoză la CO2 și H2O este de 38 moli de ATP .

În procesul de descompunere aerobă a glucozei , apar 6 reacții de dehidrogenare. Una dintre ele apare în glicoliză și 5 în OPC. Substraturi pentru dehidrogenaze NAD -dependente specifice: gliceraldehida-3-fosfat, piruvat , izocitrat , α-cetoglutarat, malat. O reacție de dehidrogenare în ciclul citratului de către succinat dehidrogenază implică coenzima FAD . Cantitatea totală de ATP sintetizată prin fosforilarea oxidativă este de 17 moli de ATP per 1 mol de gliceraldehidă fosfat . La aceasta trebuie adaugati 3 mol de ATP sintetizat prin fosforilarea substratului (doua reactii in glicoliza si una in ciclul citratului). Având în vedere că glucoza se descompune în 2 fosfotrioze și că coeficientul stoechiometric al transformărilor ulterioare este 2, valoarea rezultată trebuie înmulțită cu 2 și 2 moli de ATP utilizat în prima etapă a glicolizei trebuie scăzuți din rezultat.

Etapele defalcării aerobe a glucozei Cantitatea de ATP utilizată, mol Cantitatea de ATP sintetizat, mol
I. Glicoliză aerobă
Glucoză → 2 Piruvat -2 +10
II. Decarboxilarea oxidativă a piruvatului -
2 (Piruvat → Acetil-CoA ) +6
III. ciclul citratului
2 (Acetil - CoA → CO2 + H2O ) +24
Randamentul total de ATP în timpul oxidării a 1 mol de glucoză +38

Importanța catabolismului glucozei

Principalul scop fiziologic al catabolismului glucozei este utilizarea energiei eliberate în acest proces pentru sinteza ATP . Energia eliberată în timpul descompunerii complete a glucozei în CO2 și H2O este de 2880 kJ/mol. Dacă această valoare este comparată cu energia de hidroliză a legăturilor de înaltă energie  - 38 mol de ATP (50 kJ per mol de ATP), atunci obținem: 50 × 38 = 1900 kJ, care reprezintă 65% din energia totală eliberată în timpul descompunerea completă a glucozei. Aceasta este eficiența utilizării energiei de descompunere a glucozei pentru sinteza ATP. Trebuie avut în vedere faptul că eficiența reală a procesului poate fi mai mică. Evaluarea cu precizie a randamentului de ATP este posibilă numai cu fosforilarea substratului, iar raportul dintre furnizarea de hidrogen în lanțul respirator și sinteza ATP este aproximativ.

Defalcarea aerobă a glucozei are loc în multe organe și țesuturi și servește drept principală, deși nu singura, sursă de energie pentru viață. Unele țesuturi sunt cel mai dependente de catabolismul glucozei pentru energie. De exemplu, celulele creierului consumă până la 100 g de glucoză pe zi, oxidând-o aerob. Prin urmare, aportul insuficient de glucoză a creierului sau hipoxia se manifestă prin simptome care indică o încălcare a funcțiilor creierului ( amețeli , convulsii , pierderea conștienței ).

Defalcarea anaerobă a glucozei are loc în mușchi , în primele minute de lucru musculare , în eritrocite (care nu au mitocondrii ), precum și în diferite organe în condiții de aport limitat de oxigen, inclusiv în celulele tumorale. Metabolismul celulelor tumorale se caracterizează prin accelerarea glicolizei aerobe și anaerobe. Dar glicoliza anaerobă predominantă și o creștere a sintezei lactatului servesc ca un indicator al ratei crescute de diviziune celulară cu furnizarea insuficientă a acestora cu un sistem de vase de sânge .

Pe lângă funcția energetică, procesul de catabolism al glucozei poate îndeplini și funcții anabolice. Metaboliții de glicoliză sunt utilizați pentru a sintetiza noi compuși. Astfel, fructoza-6-fosfatul și gliceraldehida-3-fosfatul sunt implicate în formarea ribozei-5-fosfat, o componentă structurală a nucleotidelor; 3-fosfogliceratul poate fi inclus în sinteza aminoacizilor precum serina , glicina , cisteina . În ficat și țesutul adipos, acetil-CoA , format din piruvat , este utilizat ca substrat pentru biosinteza acizilor grași, colesterol și dihidroxiacetonă fosfat ca substrat pentru sinteza glicerol-3-fosfat.

Reglarea catabolismului glucozei

Deoarece principala semnificație a glicolizei este sinteza ATP, rata sa ar trebui să se coreleze cu consumul de energie din organism.

Majoritatea reacțiilor de glicoliză sunt reversibile, cu excepția a trei catalizate de hexokinază (sau glucokinază), fosfofructokinază și piruvat kinază. Factorii de reglare care modifică viteza glicolizei și, prin urmare, formarea de ATP, vizează reacții ireversibile. Un indicator al consumului de ATP este acumularea de ADP și AMP. Acesta din urmă se formează într-o reacție catalizată de adenilat kinaza: 2 ADP ↔ AMP + ATP

Chiar și un mic consum de ATP duce la o creștere vizibilă a AMP. Raportul dintre nivelul de ATP și ADP și AMP caracterizează starea energetică a celulei, iar componentele sale servesc ca regulatori alosterici ai vitezei atât a căii generale de catabolism, cât și a glicolizei. Figura arată reglarea alosterică a ratei de catabolism al glucozei în mușchiul scheletic.

Esențială pentru reglarea glicolizei este o modificare a activității fosfofructokinazei, deoarece această enzimă, așa cum am menționat mai devreme, catalizează cea mai lentă reacție a procesului.

Fosfofructokinaza este activată de AMP, dar inhibată de ATP. AMP, prin legarea de centrul alosteric al fosfofructokinazei, crește afinitatea enzimei pentru fructoză-6-fosfat și crește viteza de fosforilare a acesteia. Efectul ATP asupra acestei enzime este un exemplu de schüsterism homotrop, deoarece ATP poate interacționa atât cu situsul alosteric, cât și cu cel activ, în ultimul caz ca substrat.

La valorile fiziologice ale ATP, centrul activ al fosfofructokinazei este întotdeauna saturat cu substraturi (inclusiv ATP). O creștere a nivelului de ATP în raport cu ADP reduce viteza de reacție, deoarece în aceste condiții ATP acționează ca un inhibitor: se leagă de centrul alosteric al enzimei, provoacă modificări conformaționale și reduce afinitatea pentru substraturile sale.

Modificările activității fosfofructokinazei contribuie la reglarea ratei de fosforilare a glucozei de către hexokinaze. O scădere a activității fosfofructokinazei la un nivel ridicat de ATP duce la acumularea atât de fructoză-6-fosfat, cât și de glucoză-6-fosfat, iar aceasta din urmă inhibă hexokinaza. Trebuie amintit că hexokinaza din multe țesuturi (cu excepția celulelor β hepatice și pancreatice) este inhibată de glucoză-6-fosfat.

Nivelurile ridicate de ATP scad rata ciclului acidului citric și a lanțului respirator. În aceste condiții, procesul de glicoliză încetinește și el. Trebuie reamintit că reglarea alosterică a OPC și a enzimelor lanțului respirator este , de asemenea, asociată cu o modificare a concentrației unor astfel de produse cheie precum NADH, ATP și unii metaboliți. Deci, NADH se acumulează dacă nu are timp să se oxideze în lanțul respirator, inhibă unele enzime alosterice ale ciclului citratului .

Rolul fiziologic al glicolizei în ficat și țesutul adipos este oarecum diferit față de alte țesuturi. În ficat și țesutul adipos, glicoliza în timpul digestiei funcționează în primul rând ca o sursă de substraturi pentru sinteza grăsimilor. Reglarea glicolizei în ficat are propriile sale caracteristici și va fi discutată mai jos.

Ciclul bisfosfoglicerat

În eritrocitele multor mamifere există o enzimă care vă permite să dirijați procesul ocolind etapa catalizată de fosfoglicerat kinaza; în timp ce energia liberă datorită prezenței fosfatului de înaltă energie în molecula de bisfosfoglicerat[1,3-] este disipată sub formă de căldură. În majoritatea țesuturilor, 2,3-BPG se formează în cantități mici. O enzimă suplimentară, bisfosfoglicerat mutaza, catalizează conversia 1,3-bisfosfogliceratului în bisfosfoglicerat[2,3-], acesta din urmă fiind transformat în continuare în fosfoglicerat[3-] (se crede în general că fosfoglicerat mutaza are această activitate). Pierderea fosfatului de înaltă energie în această etapă înseamnă că procesul de glicoliză nu mai este însoțit de producerea de ATP. Acest lucru poate fi de un oarecare avantaj, deoarece chiar și atunci când cerințele de ATP sunt minime, glicoliza poate continua. 2,3-bisfosfogliceratul rezultat se leagă de hemoglobină, scăzând afinitatea acesteia din urmă pentru oxigen, adică deplasează curba de disociere a oxihemoglobinei spre dreapta. Astfel, prezența 2,3-bisfosfogliceratului în eritrocite favorizează disocierea oxigenului de oxihemoglobină și transferul acestuia în țesuturi.

Fermentare

Fermentarea (de asemenea fermentația, fermentația) este „un proces metabolic în care ATP este regenerat , iar produsele de descompunere ai unui substrat organic pot servi simultan ca donatori și acceptori de hidrogen” [6] . Fermentarea este descompunerea metabolică anaerobă (care are loc fără participarea oxigenului) a moleculelor de nutrienți, cum ar fi glucoza. În cuvintele lui Louis Pasteur , „fermentația este viață fără oxigen”. Cele mai multe tipuri de fermentare sunt efectuate de microorganisme - anaerobi obligatorii sau facultativi .

Fermentarea nu eliberează toată energia disponibilă în moleculă, astfel încât intermediarii de fermentație pot fi utilizați în cursul respirației celulare.

  • Termenul de fermentație este folosit și într-un sens mai larg pentru a se referi la creșterea rapidă a microorganismelor într-un mediu adecvat. Când este utilizat în acest sens, nu se face distincție între metabolismul aerob și cel anaerob .

Fermentarea este adesea folosită pentru gătirea sau conservarea alimentelor. Când vorbim despre fermentație, ele înseamnă de obicei fermentarea zahărului (transformarea lui în alcool) folosind drojdie , dar, de exemplu, alte tipuri de fermentație sunt folosite în producția de iaurt .

Utilizarea fermentației de către oameni implică de obicei utilizarea anumitor tipuri și tulpini de microorganisme. Vinurile sunt uneori îmbunătățite folosind procesul de fermentație reciprocă.

Fermentarea este un proces care este important în condiții anaerobe, în absența fosforilării oxidative . În timpul fermentației, ca și în cursul glicolizei , se formează ATP. În timpul fermentației, piruvatul este transformat în diferite substanțe.

Deși ultima etapă a fermentației (conversia piruvatului în produși finali de fermentație) nu eliberează energie, este esențială pentru celula anaerobă deoarece regenerează nicotinamida adenin dinucleotida (NAD + ), care este necesară pentru glicoliză. Acest lucru este important pentru funcționarea normală a celulei, deoarece glicoliza pentru multe organisme este singura sursă de ATP în condiții anaerobe.

În timpul fermentației, are loc oxidarea parțială a substraturilor, în care hidrogenul este transferat în NAD + ( nicotinamidă adenin dinucleotidă ). În alte etape de fermentație, intermediarii săi servesc ca acceptori ai hidrogenului, care face parte din NADH; în timpul regenerării NAD + sunt restaurate, iar produsele de restaurare sunt îndepărtate din celulă.

Produșii finali ai fermentației conțin energie chimică (nu sunt complet oxidați), dar sunt considerați deșeuri deoarece nu pot fi metabolizați în continuare în absența oxigenului (sau a altor acceptori de electroni foarte oxidați ) și sunt adesea excretați din celulă. O consecință a acestui fapt este faptul că producția de ATP prin fermentație este mai puțin eficientă decât prin fosforilarea oxidativă, când piruvatul este complet oxidat la dioxid de carbon. În timpul diferitelor tipuri de fermentație, sunt produse două până la patru molecule de ATP per moleculă de glucoză (cf. aproximativ 36 de molecule prin respirație aerobă). Cu toate acestea, chiar și la vertebrate, fermentația (oxidarea anaerobă a glucozei) este folosită ca o modalitate eficientă de obținere a energiei în perioade scurte de muncă intensă a mușchilor când transportul oxigenului către mușchi este insuficient pentru a susține metabolismul aerob. Fermentarea la vertebrate ajută pe perioade scurte de muncă intensă, dar nu este destinată utilizării pe termen lung. De exemplu, la om, glicoliza la acid lactic oferă energie pentru o perioadă de 30 de secunde până la 2 minute. Rata de generare a ATP este de aproximativ 100 de ori mai mare decât în ​​cazul fosforilării oxidative. Nivelul pH -ului din citoplasmă scade rapid atunci când acidul lactic se acumulează în mușchi , inhibând în cele din urmă enzimele implicate în procesul de glicoliză .

Fermentația alcoolică

Fermentarea alcoolică este efectuată de așa-numitele organisme asemănătoare drojdiei, precum și de unele ciuperci și bacterii de mucegai . Reacția generală a fermentației alcoolice poate fi descrisă după cum urmează:

ca urmare, o moleculă de glucoză este transformată în 2 molecule de etanol și 2 molecule de dioxid de carbon și este însoțită de stocarea energiei sub formă de ATP .

Mecanismul de reacție al fermentației alcoolice este extrem de apropiat de glicoliză . Discrepanța începe abia după etapa de formare a piruvatului. În timpul glicolizei, piruvatul, cu participarea enzimei LDH și a coenzimei NADH, este redus la lactat. În fermentația alcoolică, această etapă finală este înlocuită cu alte două reacții enzimatice, piruvat decarboxilază și alcool dehidrogenază.

În celulele de drojdie, piruvatul suferă mai întâi decarboxilarea, ducând la formarea acetaldehidei . Această reacție este catalizată de enzima piruvat carboxilază (cea din urmă este absentă în țesuturile animale ), care necesită prezența ionilor de Mg 2+ și a coenzimei triaminpirofosfat (TPP).

Reacția este ireversibilă.

Acetaldehida rezultată se atașează la sine hidrogenul scindat din NADH, în timp ce este redusă la etanol. Reacția este catalizată de enzima alcool dehidrogenază:

Astfel, produsul final al fermentației alcoolice este etanolul și CO2 , și nu acidul lactic , ca în glicoliză .

Fermentarea acidului lactic

Fermentarea acidului lactic  este procesul de oxidare anaerobă a carbohidraților , al cărui produs final este acidul lactic.

Bacteriile homofermentative (de exemplu, Lactobacillus delbruekii ) descompun monozaharidele cu formarea a două molecule de acid lactic în conformitate cu ecuația generală [7] :

Numele a fost dat produsului caracteristic - acid lactic . Pentru bacteriile lactice, este calea principală pentru catabolismul carbohidraților și principala sursă de energie sub formă de ATP . De asemenea, fermentația acidului lactic are loc în țesuturile animale în absența oxigenului la sarcini mari.

Fermentația butirică

Fermentația butirică este fermentația glucozei , în timpul căreia se formează acidul butiric C 3 H 7 COOH. Se procedează conform ecuației:

În acest caz, hidrogenul și dioxidul de carbon sunt produse secundare. Ca produse secundare se obțin și alcooli etilici și butilici , acid acetic etc. [8] . Fermentația butirică este rezultatul activității bacteriilor anaerobe, inclusiv a genului Clostridium . După cum sugerează și numele, o astfel de fermentație este asociată cu râncezirea grăsimilor .

Fermentarea acidului citric

Fermentarea acidului citric este oxidarea glucozei de către ciupercile micromicete (de exemplu, Aspergillus niger ) la acid citric . Rezultatul final al fermentației poate fi reprezentat de următoarea ecuație rezumativă:

Chimia formării acidului citric din zahăr nu a fost încă stabilită definitiv. Majoritatea cercetătorilor cred că această fermentație la formarea acidului piruvic are loc ca și alte fermentații. Mai departe, transformarea acidului piruvic în acid citric printr-o serie de acizi ( acetic , succinic , fumaric , malic , oxaloacetic) este similară cu transformările din ciclul Krebs [9] .

Fermentarea acetonă-butil

Fermentația acetonă-butil este aproape de fermentația uleiului, totuși, această fermentație produce semnificativ mai mult alcool butilic și acetonă:

În plus, în procesul de fermentație a acetonă-butil , se acumulează alcool etilic , acizi butiric și acetic , se eliberează dioxid de carbon și hidrogen . Chimia fermentației acetonă-butil este similară cu fermentația butirică. Primele etape - înainte de formarea acetaldolului - sunt similare cu etapele fermentației butirice [10] .

Fructoza și alți carbohidrați în procesul de glicoliză

S-a stabilit că fructoza , care este prezentă sub formă liberă în multe fructe și se formează în intestinul subțire din zaharoză , fiind absorbită în țesuturi, poate suferi fosforilare în fructoză-6-fosfat cu participarea enzimei hexokinaze și ATP .

Această reacție este inhibată de glucoză . Fructoza-6-fosfatul rezultat este fie convertit în glucoză prin etapele de formare a glucozei-6-fosfat și eliminarea ulterioară a acidului fosforic, fie suferă transformări ulterioare. Din fructoză-6-fosfat, sub influența 6-fosfofructokinazei și ATP , se formează fructoză-1,6-difosfat:

În plus, fructoza-1,6-difosfatul poate suferi transformări suplimentare de-a lungul căii de glicoliză . Aceasta este modalitatea principală de includere a fructozei în metabolismul țesutului muscular, rinichilor și țesutului adipos.

În ficat, însă, există o altă cale pentru aceasta. Fructokinaza prezentă în ea catalizează fosforilarea fructozei nu la al 6-lea, ci la primul atom de carbon:

Spre deosebire de prima reacție, această reacție nu este blocată de glucoză . Apoi, sub acțiunea cetozo-1-fosfat aldolazei (aldolazei B), fructoza-1-fosfatul rezultat este scindat pentru a forma D-gliceraldehidă și dihidroxiacetonă fosfat.

Galactoză în timpul glicolizei

Principala sursă de galactoză este lactoza alimentară, care este descompusă în tractul digestiv în galactoză și glucoză. Metabolismul galactozei începe cu transformarea ei în galactoză-1-fosfat. Această reacție este catalizată de galactokinază cu participarea ATP:

În reacția următoare, în prezența UDP-glucozei, enzima hexozo-1-fosfat uridililtransferaza catalizează conversia galactozei-1-fosfat în glucoză-1-fosfat, în timp ce se formează uridin difosfat galactoză (UDP-galactoză).

Tulburări ale metabolismului fructozei

Tulburările metabolismului fructozei cauzate de un defect al enzimelor sunt prezentate în tabel

Enzimă inactivă Reacție blocată Localizarea enzimelor Manifestări clinice și constatări de laborator
Fructokinaza Fructoză + ATP → Fructoză-1-fosfat + ADP Ficat , rinichi , enterocite Fructozemie , fructozurie
Fructoza-1-fosfat aldolaza (aldolaza B) Fructoză-1-fosfat → Dihidroxiacetonă-3-fosfat + Gliceraldehidă Ficat Vărsături , dureri abdominale, diaree , hipoglicemie , hipofosfatemie, fructozemie, hiperuricemie , insuficiență hepatică și renală cronică .

Deficiența fructokinazei nu se manifestă clinic. Fructoza se acumulează în sânge și este excretată în urină, unde poate fi detectată prin metode de laborator. Este foarte important să nu confundăm această anomalie inofensivă cu diabetul zaharat. Această boală este cunoscută sub numele de fructozurie esențială benignă și apare cu o frecvență de 1:130.000.

Intoleranța ereditară la fructoză , care apare cu un defect genetic determinat de fructozo-1-fosfat aldolază (aldolaza B), nu apare în timpul alăptării copilului , adică până când hrana conține fructoză. Simptomele apar atunci când fructele, sucurile , zaharoza sunt adăugate în dietă . Vărsături , dureri abdominale, diaree, hipoglicemie și chiar comă și convulsii apar la 30 de minute după ce ați consumat o masă care conține fructoză. Copiii mici și adolescenții care continuă să ia fructoză dezvoltă disfuncție hepatică și renală cronică. Intoleranța la fructoză este o formă destul de comună de patologie autozomal recesivă .

Defectul fructozo-1-fosfat aldolazei este însoțit de acumularea de fructoză-1-fosfat, care inhibă activitatea fosfoglucomutazei, care transformă glucoza-1-fosfat în glucoză-6-fosfat și asigură includerea produsului din reacția glicogen-fosforilazei în metabolism. Prin urmare, descompunerea glicogenului este inhibată în stadiul formării glucozei-1-fosfat, ducând la hipoglicemie . În consecință, mobilizarea lipidelor și oxidarea acizilor grași sunt accelerate. O consecință a accelerării oxidării acizilor grași și a sintezei corpilor cetonici , care înlocuiesc funcția energetică a glucozei , poate fi acidoza metabolică , deoarece corpii cetonici sunt acizi și, la concentrații mari, scad pH-ul sângelui.

Rezultatul inhibării glicogenolizei și glicolizei este o scădere a sintezei ATP . În plus, acumularea de fructoză fosforilată duce la afectarea metabolismului fosforic anorganic și la hipofosfatemie.

Pentru a reumple fosfatul intracelular, descompunerea nucleotidelor adenil este accelerată . Produșii de descompunere ai acestor nucleotide sunt incluși în catabolism , trecând prin etapele de formare a hipoxantinei , xantinei și, în final, acidului uric . O creștere a cantității de acid uric și o scădere a excreției de urati în condiții de acidoză metabolică se manifestă sub formă de hiperuricemie. Guta poate fi o consecință a hiperuricemiei chiar și la o vârstă fragedă.

Tulburări ale metabolismului galactozei

Schimbul de galactoză este deosebit de interesant în legătură cu o boală ereditară - galactozemia.

Galactozemia apare atunci când metabolismul galactozei este afectat din cauza unui defect ereditar în oricare dintre cele trei enzime care includ galactoza în metabolismul glucozei .

Galactozemia cauzată de deficitul de galactoză-1-fosfat uridiltransferază (GALT) este cea mai bine studiată. Această boală se manifestă foarte devreme și este deosebit de periculoasă pentru copii, deoarece principala sursă de carbohidrați pentru ei este laptele matern care conține lactoză. Simptomele precoce ale unui defect GALT: vărsături, diaree, deshidratare, scădere în greutate, icter. Apar la scurt timp după naștere, de îndată ce bebelușul începe să primească lapte. În sânge, urină și țesuturi, crește concentrația de galactoză și galactoză-1-fosfat. În țesuturile ochiului (în cristalin ), galactoza este redusă de aldoreductază pentru a forma galactitol (dulcit). În această reacție, hidrogenul este utilizat ca donor de hidrogen.

NADPH . Recuperarea galactozei are loc și în timpul metabolismului normal, dar se desfășoară într-un ritm lent. În galactozemie, galactitol se acumulează în corpul vitros și leagă cantități mari de apă . Ca urmare, echilibrul electroliților este perturbat , iar hidratarea excesivă a cristalinului duce la dezvoltarea cataractei, care se observă deja la câteva zile după naștere.

Consecințele severe ale unui defect GALT sunt observate la nivelul ficatului . Acest lucru se datorează acumulării de galactoză-1-fosfat și efectului său toxic asupra hepatocitelor. Ca urmare, apare o disfuncție hepatică: hepatomegalie, degenerare grasă. La rinichii unor astfel de pacienți, concentrația de galactitol și galactoză-1-fosfat este, de asemenea, crescută, ceea ce le afectează funcțiile. Se observă încălcări ale celulelor emisferelor cerebrale și cerebelului, în cazuri severe - este posibilă edem cerebral , retard mental și moarte.

Pentru galactozemia cauzată de un defect al galactokinazei, cataracta este, de asemenea, caracteristică , dar cu această boală, spre deosebire de un defect în GALT, nu există încălcări ale funcțiilor ficatului, rinichilor și creierului. Cele mai grave consecințe ale scăderii activității GALT sunt asociate cu efectul galactozei-1-fosfat asupra activității altor enzime implicate în metabolismul carbohidraților (fosfoglucomutaza, glucozo-6-fosfat dehidrogenază).

Tulburări ale metabolismului galactozei

Enzimă defectuoasă (frecvență) Reacție blocată Manifestări clinice și constatări de laborator
Galactokinaza (1:500.000) Galactoză + ATP → Galactoză-1-fosfat + ADP Galactozemie, galactozurie, cataractă. Activitatea enzimatică în eritrocite este normală.
Galactoza-1-fosfat uridiltransferaza (1:40000) Galactoză-1-fosfat + UDP-glucoză → UDP-galactoză + Glucoză-1-fosfat Galactozemie, galactozurie, galactoză-1-fosfatemie, cataractă. Tendință la hipoglicemie, mobilizare compensatorie a grăsimilor , ciroză hepatică , insuficiență renală. Hepatomegalie , retard mintal . Activitatea enzimatică în eritrocite este redusă.
Uridil fosfat-4-epimeraza (1:1000000) UDP-glucoză ↔ UDP-galactoză Galactozemie, galactozurie. Nu există manifestări clinice severe. Au fost descrise cazuri izolate

Sunt cunoscute mai multe forme de galactozemie, a cărei cauză este insuficiența GALT [2] :

Unele variante ale defectului genetic al GALT

Modificări în structura GALT Manifestări
Asn → Asp Semnul Dewart. La heterozigoți în această variantă, activitatea enzimei este de 75% din normal. Fenotipul homozigot Dewart este de obicei asociat cu o pierdere de activitate de 50%. Pacienții cu sindrom Dewart pot fi sănătoși în ciuda anomaliei structurale a GALT.
Gln → Arg Manifestată ca galactozemie severă. Motivul este o mutație a tipului de substituție de nucleotide 591 în gena enzimei. Activitatea GALT este de 10% din norma. Această formă apare în 70% din cazurile de galactozemie printre caucazieni , frecvența este 1: 338 886.
Ser → Lei Boala este descrisă la pacienții de culoare și se numește „semn negru”. Galactozemia se manifestă ca urmare a activității insuficiente a GALT în ficat și eritrocite . Activitatea GALT în ficat este de 10% din normă. Cu toate acestea, a fost observată o anumită utilizare a galactozei, care a fost explicată prin dezvoltarea unei căi alternative. Motivul este o mutație a celui de-al 1158-lea tip de substituție de nucleotide în gena enzimei.
Arg → Trei Forma severă de galactozemie. Motivul este o mutație missens a nucleotidei 1025 din gena enzimei. Activitatea GALT este absentă.
Liz → Asn Mutație larg răspândită în galactozemie [2] .

Unele defecte structurale ale GALT au ca rezultat doar o pierdere parțială a activității enzimatice . Deoarece GALT este prezent în mod normal în organism în exces, o scădere a activității sale la 50%, și uneori chiar mai mică, poate să nu se manifeste clinic.

La diagnosticarea galactozemiei , urina este examinată pentru conținutul de galactoză, colectată după mai multe hrăniri cu lapte . Dacă la un copil se găsește o cataractă , acesta este examinat pentru deficiență de galactokinază și GALT. Prezența galactozei în urină în absența funcției hepatice anormale indică un defect al galactokinazei. În timpul examinării, nu este recomandat un test cu o încărcătură de galactoză , deoarece acest test este periculos pentru pacienți. Tratamentul constă în eliminarea galactozei din dietă.

Calea fosfatului de pentoză

Descoperirea căii de oxidare directă a carbohidraților sau, așa cum se numește, ciclul pentozei fosfat, aparține lui O. Warburg , F. Lipman , F. Dickens și W. A. ​​​​Engelhardt . Divergența căilor de oxidare a carbohidraților - clasice (ciclul acidului tricarboxilic sau ciclul Krebs) și pentoză fosfat - începe cu formarea hexozei monofosfat. Dacă glucoza-6-fosfat , care este fosforilat a doua oară și transformat în fructoză-1,6-difosfat, atunci în acest caz, are loc o descompunere suplimentară a carbohidraților de -a lungul căii glicolitice obișnuite cu formarea PVC , care, oxidat în acetil. -KoA, apoi se arde în ciclul Krebs . Fosfații de pentoză joacă un rol cheie în reacțiile acestui ciclu.

Calea pentozei fosfat este o cale alternativă pentru oxidarea glucozei . Include mai multe cicluri, în urma cărora trei molecule de glucoză-6-fosfat formează trei molecule de CO 2 și trei molecule de pentoze. Acestea din urmă sunt folosite pentru a regenera două molecule de glucoză-6-fosfat și o moleculă de gliceraldehidă-3-fosfat. Deoarece o moleculă de glucoză-6-fosfat poate fi regenerată din două molecule de gliceraldehidă-3-fosfat, glucoza poate fi complet oxidată atunci când este convertită prin calea pentozei fosfat:

Enzimele căii pentozei fosfatului, precum și enzimele glicolizei, sunt localizate în citosol.

Cea mai activă cale de pentoză fosfat apare în țesutul adipos , ficat , cortexul suprarenal , eritrocite , glanda mamară în timpul alăptării și testicule .

Secvența de reacție

Enzimele căii pentoze fosfat sunt localizate în spațiul extramitocondrial al celulei - în citosol. Ca și în procesul de glicoliză, oxidarea se realizează prin dehidrogenare, cu toate acestea, în acest caz, acceptorul de hidrogen nu este NAD, ci NADP. Secvența de reacție a căii poate fi împărțită în două faze: oxidativă și neoxidativă. În reacțiile de primă fază, glucoza-6-fosfatul este dehidrogenat și decarboxilat pentru a forma ribuloză-5-fosfat. În timpul celei de-a doua faze, ribuloza-5-fosfatul este convertit înapoi în glucoză-6-fosfat ca urmare a unei serii de reacții în care două enzime joacă rolul principal: transketolaza și transaldolaza .

Faza oxidativă

În porțiunea oxidativă a căii pentoze fosfat, glucoza-6-fosfat suferă decarboxilare oxidativă, ducând la formarea pentozelor . Această etapă include 2 reacții de dehidrogenare.

Dehidrogenarea glucozei-6-fosfatului

Prima reacție de dehidrogenare - conversia glucozei-6-fosfatului în gluconolactonă-6-fosfat - este catalizată de glucozo-6-fosfat dehidrogenază dependentă de NAD F + și este însoțită de oxidarea grupării aldehide la primul atom de carbon și formarea unei molecule a coenzimei NADPH reduse.

Glucozo-6-fosfat dehidrogenaza este un dimer cu o greutate moleculară de aproximativ 135 000. Există 7-8 izoenzime ale acestei enzime care sunt separate prin electroforeză.

Dehidrogenarea 6-fosfogluconatului pentru a forma ribuloză-5-fosfat

Această reacție este catalizată de enzima 6-fosfogluconat dehidrogenază conform ecuației:

Echilibrul reacției este deplasat spre dreapta. 6-Fosfogluconat dehidrogenaza este un dimer cu o greutate moleculară de aproximativ 100 000. Există mai multe izoenzime ale acestei dehidrogenaze. Particularitatea reacției este că în timpul dehidrogenării se formează un compus intermediar instabil, care este decarboxilat pe suprafața aceleiași enzime. Aceasta este a doua reacție de oxidare din ciclul pentozei fosfat, care duce la formarea NADP·H 2 .

Ecuația generală pentru etapa oxidativă a căii pentozei fosfat poate fi reprezentată ca:

Glucoză-6-fosfat + 2NADP + + H 2 O \u003d Ribuloză-5-fosfat + 2NADPH + H + + CO 2 .

Reacțiile fazei oxidative servesc ca sursă principală de NADPH în celule . Coenzimele hidrogenate furnizează hidrogen proceselor de biosinteză, reacțiilor redox, inclusiv protecția celulelor împotriva speciilor reactive de oxigen. NADPH ca donor de hidrogen este implicat în procesele anabolice, de exemplu, în sinteza colesterolului. Aceasta este o sursă de echivalenți reducători pentru citocromul P 450 , care catalizează formarea grupărilor hidroxil în timpul sintezei hormonilor steroizi , acizilor biliari, în timpul catabolismului medicamentelor și a altor compuși străini. Activitatea ridicată a enzimei glucozo-6-fosfat dehidrogenază se găsește în leucocitele fagocitare, unde NADPH oxidaza utilizează NADPH redus pentru a forma ionul superoxid din oxigenul molecular. Ionul superoxid generează alte specii reactive de oxigen, sub influența cărora sunt deteriorate moleculele de ADN, proteinele și lipidele celulelor bacteriene. Sinteza acizilor grași din carbohidrați din ficat este principala cale de utilizare a NADPH și asigură regenerarea formei oxidate de NADP + . În ficat, glucozo-6-fosfat dehidrogenaza, precum și enzimele cheie ale glicolizei și biosintezei acizilor grași, sunt induse de o creștere a raportului insulină/glucagon după o masă bogată în carbohidrați .

În ciuda faptului că NADPH se formează și în timpul oxidării malatului în piruvat și dioxid de carbon (cu participarea malat dehidrogenazei dependente de NADP + ) și dehidrogenării izocitratului (cu participarea izocitrat dehidrogenazei dependente de NADP + ), în majoritatea cazuri, nevoile celulelor în echivalenți reducători sunt satisfăcute prin calea pentozei fosfat.

Reacțiile căii oxidative au loc numai dacă coenzima NADPH redusă revine la starea sa oxidată inițială de NADP + cu participarea dehidrogenazelor dependente de NADPH (adică dacă NADPH hidrogenat este utilizat în procesele de reducere). Dacă nevoile celulare pentru NADPH sunt nesemnificative, se formează riboză-5-fosfat ca urmare a reacțiilor reversibile ale etapei neoxidative ale căii pentozei fosfat, folosind metaboliți de glicoliză - gliceraldehidă-3-fosfat și fructoză-6-fosfat ca substante initiale .

Faza de neoxidare

Faza neoxidativă a căii pentozei fosfat include o serie de reacții reversibile, în urma cărora ribuloza-5-fosfatul este transformat în riboză-5-fosfat și xiluloză-5-fosfat, iar apoi datorită transferului de carbon fragmente la metaboliții de glicoliză  - fructoză-6-fosfat și gliceraldehidă-3-fosfat. La aceste transformări iau parte enzimele: epimeraza, izomeraza, transketolaza și transaldolaza. Transketolaza utilizează tiamină difosfat ca coenzimă. Etapa non-oxidativă a căii pentozelor fosfat nu implică reacții de dehidrogenare și, prin urmare, este utilizată numai pentru sinteza pentozelor .

Hidroliza 6-fosfogluconolactonei pentru a forma 6-fosfogluconat

Gluconolactona-6-fosfatul format ca urmare a primei reacții se transformă rapid în 6-fosfogluconat cu participarea enzimei gluconolactonă hidrază.

Interconversia sau izomerizarea pentozelor fosfate

Ribuloza 5-fosfat se poate izomeriza reversibil la alți pentoză fosfați, xiluloză 5-fosfat și riboză 5-fosfat. Aceste reacții sunt catalizate de două enzime diferite: pentozo fosfat epimeraza și pentozo fosfat izomeraza conform ecuațiilor:

Formarea altor doi pentoză fosfați, xiluloză 5-fosfat și riboză 5-fosfat, din ribuloză-5-fosfat este necesară pentru reacțiile ulterioare ale ciclului. Mai mult, sunt necesare două molecule de xiluloz-5-fosfat și o moleculă de riboză-5-fosfat.

Prima reacție de transketolază

Această reacție, catalizată de transketolază, folosește pentoza fosfaților formați în reacția anterioară:

Transketolaza este un dimer cu o greutate moleculară de 140 000. Reacția necesită ioni de Mg 2+ . Coenzima din reacția transketolazei este TPP, care joacă rolul unui purtător intermediar al grupării glicolaldehide de la xiluloz-5-fosfat la riboză-5-fosfat. Ca rezultat, se formează monozaharidă cu șapte atomi de carbon sedoheptuloză-7-fosfat și gliceraldehidă-3-fosfat. Ambii produși ai reacției transketolazei sunt utilizați ca substraturi în următoarea etapă a ciclului.

Transferul fragmentului de dihidroxiacetonă de la sedoheptuloză-7-fosfat la gliceraldehidă-3-fosfat

Enzima transaldolaza catalizează transferul unui reziduu de dihidroxiacetonă (dar nu dihidroxiacetonă liberă) de la sedoheptuloză-7-fosfat la gliceraldehidă-3-fosfat. Această reacție reversibilă:

Transaldolaza este un dimer cu o greutate moleculară de aproximativ 70.000 Da. Molecula de fructoză-6-fosfat formată în această reacție este conectată la glicoliză, iar eritroza-4-fosfat este folosit ca substrat pentru etapele ulterioare ale ciclului.

A doua reacție de transketolază

Această reacție este similară cu prima reacție de transketolază și este catalizată de aceeași enzimă. Diferența sa este că eritroza-4-fosfatul servește ca acceptor al glicolaldehidei.

Fructoza-6-fosfatul și gliceraldehida-3-fosfatul sunt implicate în glicoliză.

Deoarece toate reacțiile fazei non-oxidative sunt reversibile, formarea riboze-5-fosfat poate apărea nu numai ca urmare a conversiei izomerice a produsului fazei oxidative a căii pentoze-fosfat ribuloză-5-fosfat în riboză. -5-fosfat sub acţiunea izomerazei, dar şi din produşii intermediari ai glicolizei - fructoză-6-fosfat şi gliceraldehidă-3-fosfat. Secvența transformărilor care conduc la formarea de riboză-5-fosfat din astfel de produși ai căii glicolitice poate fi reprezentată ca:

2Fructoză-6-fosfat + Gliceraldehidă-3-fosfat = 2Xiluloză-5-fosfat + Riboză-5-fosfat + 2Xiluloză-5-fosfat = 2Ribuloză-5-fosfat + 2Ribuloză-5-fosfat = 2Riboză-5-fosfat.

Rezultatul total al metabolizării a 3 molecule de ribuloză-5-fosfat în faza neoxidativă a căii pentoze-fosfatului este formarea a 2 molecule de fructoză-6-fosfat și a 1 moleculă de gliceraldehidă-3-fosfat. În plus, fructoza-6-fosfatul și gliceraldehida-3-fosfatul pot fi transformate în glucoză. Ținând cont de coeficientul stoechiometric egal cu 2, se formează 5 molecule de glucoză (conținând 30 atomi de carbon), 4 molecule de fructoză-6-fosfat și 2 molecule de gliceraldehidă-3-fosfat (conținând și 30 de atomi de carbon) sau, respectiv , 6 molecule ribuloză-5-fosfat. Astfel, calea non-oxidativă poate fi considerată ca fiind procesul de întoarcere a pentozelor în grupul de hexoze .

Ciclul pentozei fosfat

Etapa oxidativă a formării pentozelor și etapa neoxidativă (calea de întoarcere a pentozelor la hexoze) constituie împreună un proces ciclic.

Acest proces poate fi descris prin ecuația generală:

6Glucoză-6-fosfat + 12NADP + + 6H 2 O \u003d 5Glucoză-6-fosfat + 12NADPH + 12H + + 6CO 2 .

Șase molecule de glucoză-6-fosfat, care intră în ciclul pentozo-fosfatului, formează 6 molecule de ribuloză-5-fosfat și 6 molecule de CO 2 , după care 5 molecule de glucoză-6-fosfat sunt din nou regenerate din 6 molecule de ribuloză- 5-fosfat. Totuși, aceasta nu înseamnă că molecula de glucoză-6-fosfat care intră în ciclu este complet oxidată. Toate cele 6 molecule de CO 2 sunt formate din atomi de C 1 a 6 molecule de glucoză-6-fosfat.

Fluxul ciclului pentozelor fosfat permite celulelor să producă NADPH, care este necesar pentru sinteza grăsimilor, fără acumularea de pentoze .

Energia eliberată în timpul descompunerii glucozei este transformată în energia unui donator de hidrogen de mare energie - NADPH. NADPH hidrogenat servește ca sursă de hidrogen pentru sinteze reductive, iar energia NADPH este convertită și stocată în substanțe nou sintetizate, cum ar fi acizii grași, eliberați în timpul catabolismului lor și utilizate de celule.

În ultimii ani, au apărut lucrări care sugerează că în unele țesuturi schema de conversie a carbohidraților în pentoză fosfat este mai complicată decât este reprezentată de schemă (vezi mai sus). Conform acestei scheme mai complete a căii pentozei fosfat, primele etape ale transformării coincid cu schema anterioară, totuși, după prima reacție a transketolazei, încep unele abateri.

Se crede că calea pentozei fosfatului și glicoliza care are loc în citosol sunt interdependente și sunt capabile să se schimbe între ele în funcție de raportul dintre concentrațiile de produși intermediari formați în celulă.

Relația dintre ciclul pentozei fosfat și glicoliză

Ambele transformări ale carbohidraților sunt strâns legate. produșii căii pentozei fosfat - fructoză-6-fosfat și gliceraldehidă-3-fosfat - sunt, de asemenea, metaboliți ai glicolizei, deci sunt implicați în glicoliză și transformați de enzimele acesteia. Două molecule de fructoză-6-fosfat pot fi regenerate în două molecule de glucoză-6-fosfat de către glucozofosfat izomeraza, enzima glicolizei. În acest caz, calea pentozei fosfat arată ca un ciclu. Un alt produs, gliceraldehida-3-fosfat, fiind implicat în glicoliză, se transformă în lactat în condiții anaerobe și arde până la CO 2 și H 2 O în condiții aerobe [11] .

Comparație cu glicoliza

Calea pentozei fosfatului este semnificativ diferită de glicoliză . Oxidarea se realizează în prima etapă și nu implică NAD, ca în glicoliză, ci NADP; unul dintre produșii căii pentozei fosfatului este CO2 , care nu se formează în reacțiile de glicoliză. În cele din urmă, calea pentozei fosfat nu generează ATP.

Formarea ribozei

Calea pentozei fosfat furnizează riboză pentru sinteza nucleotidelor și acizilor nucleici. Sursa de riboză este riboza-5-fosfatul intermediar, care reacționează cu ATP pentru a forma PRPP, 5-fosforibozil-1-pirofosfat, care este utilizat în biosinteza nucleotidelor. Țesutul muscular conține cantități foarte mici de glucozo-6-fosfat dehidrogenază și 6-fosfogluconat dehidrogenază. Cu toate acestea, mușchiul scheletic este capabil să sintetizeze riboză. Acest lucru se realizează probabil prin inversarea fazei neoxidative a căii pentozei fosfat, care utilizează fructoză-6-fosfat. Astfel, sinteza ribozei poate fi efectuată într-un țesut dacă o parte din reacțiile căii pentoze fosfat au loc în acesta.

Funcția biologică a ciclului pentozei fosfat

Ciclul pentozei fosfat nu duce la sinteza ATP , ci îndeplinește două funcții principale:

  1. formarea NADPH pentru sinteza reductivă, cum ar fi sinteza acizilor grași și a steroizilor;
  2. Oferă sinteza ribozei de nucleotide și acizi nucleici.

Regulamentul

Soarta glucozei-6-fosfatului - indiferent dacă intră în glicoliză sau pe calea pentozei fosfatului - este determinată de nevoile celulei în acest moment, precum și de concentrația NADP + în citosol. Fără prezența unui acceptor de electroni, prima reacție a căii pentozo-fosfatului (catalizată de glucozo-6-fosfat dehidrogenază) nu va avea loc. Când celula transformă rapid NADPH în NADP + în reacții de reducere biosintetică, nivelurile NADP + cresc, stimulând alosteric glucozo-6-fosfat dehidrogenaza și crescând astfel curentul de glucoză-6-fosfat prin calea pentozo-fosfatului. Când consumul de NADPH încetinește, nivelul NADP + scade și glucoza-6-fosfatul este utilizat glicolitic [12] .

Șunt cu metilglioxal

Șuntul de metilglioxal este o cale metabolică care apare la unele bacterii și este o cale pentru oxidarea fosfatului de dihidroxiacetonă la piruvat, care este diferită de reacțiile glicolitice [13] . Metilglioxalul a fost descoperit în autolizate de țesuturi în urmă cu jumătate de secol. Mai târziu, a fost dovedită în mod convingător distribuția largă a glioxalazei, care catalizează conversia metilglioxalului în lactat. Cu toate acestea, semnificația acestor date a rămas neclară, deoarece sursa de metilglioxal nu a fost identificată. Acest compus a căpătat o nouă semnificație odată cu descrierea metilglioxal sintetazei izolate din E. coli și P. vulgaris .

Metabolismul aerob al piruvatului

Celulele care sunt insuficient alimentate cu oxigen pot exista parțial sau complet datorită energiei glicolizei . Cu toate acestea, majoritatea celulelor animale și vegetale sunt normale în condiții aerobe și își oxidează tot „combustibilul organic” în dioxid de carbon și apă . În aceste condiții , piruvatul , format în timpul descompunerii glucozei , nu este redus la lactat, ci este oxidat treptat la CO2 și H2O în stadiul aerob al catabolismului , în timp ce inițial decarboxilarea oxidativă a piruvatului are loc cu formarea de acetil- CoA .

Decarboxilarea oxidativă a piruvatului

Oxidarea piruvatului la acetil-CoA are loc cu participarea unui număr de enzime și coenzime, unite structural într-un sistem multienzimatic, numit " complexul piruvat dehidrogenază" .

În etapa I a acestui proces, piruvatul își pierde gruparea carboxil ca rezultat al interacțiunii cu tiamin-pirofosfat (TPP) ca parte a centrului activ al enzimei piruvat dehidrogenază (E1 ) . În stadiul II, gruparea hidroxietil a complexului E1 - TPF-CHOH-CH3 este oxidată pentru a forma o grupare acetil, care este transferată simultan la amida acidului lipoic (coenzimă) asociată cu enzima de către dihidrolipoilacetiltransferaza (E2 ) . Această enzimă catalizează etapa III - transferul unei grupări acetil la coenzima CoA (HS-KoA) cu formarea produsului final acetil-CoA , care este un compus de înaltă energie (de înaltă energie ).

În stadiul IV, forma oxidată a lipoamidei este regenerată din complexul redus de dihidrolipoamidă- E2 . Cu participarea enzimei dihidrolipoil dehidrogenazei (E 3 ), atomii de hidrogen sunt transferați din grupările sulfhidril reduse ale dihidrolipoamidei la FAD, care acționează ca o grupare protetică a acestei enzime și este puternic asociată cu aceasta. În stadiul V, FADH 2 dihidrolipoil dehidrogenaza redusă transferă hidrogen la coenzima NAD cu formarea NADH + H + .

Procesul de decarboxilare oxidativă a piruvatului are loc în matricea mitocondrială . Acesta implică (ca parte a unui complex multienzimatic complex ) 3 enzime (piruvat dehidrogenază, dihidrolipoilacetiltransferază, dihidrolipoil dehidrogenază) și 5 coenzime (TPF, amida acidului lipoic, coenzima A , FAD și NAD), dintre care trei sunt relativ puternic asociate cu enzime (TPF-E1 , lipoamidă-E2 şi FAD-E3 ) şi două sunt uşor disociate (HS-KoA şi NAD) .

Toate aceste enzime, care au o structură subunitară, și coenzimele sunt organizate într-un singur complex. Prin urmare, produsele intermediare sunt capabile să interacționeze rapid între ele. S-a demonstrat că lanțurile polipeptidice ale subunităților dihidrolipoil acetiltransferazei care alcătuiesc complexul formează, așa cum ar fi, miezul complexului, în jurul căruia se află piruvat dehidrogenaza și dihidrolipoil dehidrogenaza. Este în general acceptat că complexul enzimatic nativ este format prin auto-asamblare.

Reacția globală catalizată de complexul de piruvat dehidrogenază poate fi reprezentată după cum urmează:

Piruvat + NAD + + HS-KoA \ u003d Acetil-CoA + NADH + H + + CO 2 .

Reacția este însoțită de o scădere semnificativă a energiei libere standard și este practic ireversibilă.

Format în procesul de decarboxilare oxidativă , acetil-CoA suferă o oxidare suplimentară cu formarea de CO2 și H2O . Oxidarea completă a acetil-CoA are loc în ciclul acidului tricarboxilic (ciclul Krebs ). Acest proces, ca și decarboxilarea oxidativă a piruvatului, are loc în mitocondriile celulelor.

Aspecte clinice ale metabolismului piruvatului

Arsenatul , precum și ionii de mercur, formează complexe cu grupările -SH ale acidului lipoic și inhibă piruvat dehidrogenaza; cu un conținut insuficient de tiamină în dietă, activitatea piruvat dehidrogenazei scade și se poate acumula piruvat. Deficitul de tiamină apare la alcoolicii cu o dietă perturbată; atunci când li se administrează glucoză, poate apărea o acumulare rapidă de piruvat și lactat, ducând la acidoză lactică , adesea fatală. Pacienții cu deficit ereditar de piruvat dehidrogenază pot dezvolta, de asemenea, acidoză lactică, în special după o încărcare de glucoză . S-au înregistrat mutații în aproape toate enzimele metabolismului glucidic, iar în fiecare caz consecința lor este o boală umană.

Interconversii de hexoze

Procesul de interconversie sau izomerizare este o reacție care duce la un echilibru reversibil între formele α-D și β-D ale hexozei, cum ar fi glucoza . Acest proces de anomerizare se desfășoară la valori fiziologice ale pH-ului cu o rată foarte mare. Cu toate acestea, există o serie de enzime specifice (mutorotaza, aldozoizomeraza) care o accelerează și mai mult.

Energetica oxidării carbohidraților

La arderea a 1 mol de glucoză într-un calorimetru cu formarea de CO 2 și H 2 O, se eliberează aproximativ 2780 kJ de căldură. Când glucoza este oxidată în țesuturi, o parte din energia eliberată nu se pierde sub formă de căldură, ci este „prinsă” sub formă de legături de fosfat de mare energie. Se formează aproximativ 38 de legături fosfat de înaltă energie per moleculă de glucoză oxidată la CO2 și H2O . Dacă presupunem că energia legăturii de înaltă energie este de 30,5 kJ, atunci energia totală stocată sub formă de ATP va fi de 1159 kJ per 1 mol de glucoză (aproximativ 41,7% din energia de ardere). Cea mai mare parte a ATP se formează prin procesul de fosforilare oxidativă în timpul oxidării coenzimelor reduse de către lanțul respirator . O altă parte a ATP se formează ca urmare a fosforilării care are loc „la nivel de substrat”.

Anabolismul glucozei

Anabolismul glucozei este formarea de glucoză în organism, sub influența proceselor enzimatice, în principal din produse non-carbohidrate, cum ar fi PVC , lactat etc.

Gluconeogeneza

Gluconeogeneza  este sinteza glucozei din surse non-carbohidrate. De exemplu: faza anaerobă de descompunere a glucozei  - glicoliză  - se termină cu formarea PVC -ului sau a lactatului. În anumite condiții (în timpul foametei etc.), pot fi resintetizați din nou în glucoză. Din două molecule de acid lactic se formează o moleculă de glucoză , adică există un fel de inversare a glicolizei . Aceasta înseamnă că gluconeogeneza este opusul glicolizei . Cu toate acestea, există patru etape ireversibile în glicoliză, care procedează cu eliberarea unei cantități semnificative de energie, astfel încât gluconeogeneza ocolește aceste etape.

Krebs a observat că simpla inversare a glicolizei este împiedicată de barierele energetice în mai multe etape: 1) și 2) între piruvat și fosfoenolpiruvat, 3) între fructoză-1,6-difosfat și fructoză-6-fosfat, 4) între glucoză- 6-fosfat și glucoză, precum și între glucoză-1-fosfat și glicogen. Aceste bariere sunt ocolite prin reacții speciale.

  • Prima etapă ireversibilă

Prima reacție ireversibilă a gluconeogenezei este conversia piruvatului în oxalacetat sub acțiunea enzimei piruvat carboxilază, CO2 și ATP . Reacția are loc în mitocondrii , unde piruvatul pătrunde și este catalizată de piruvat carboxilază conform ecuației:

Piruvat + HCO 3 - + ATP → oxalacetat + ADP + Fi

Această enzimă ca cofactor, ca și enzimele care absorb CO 2 , conține biotină .

  • A doua etapă ireversibilă

În această etapă, oxalacetatul format în prima etapă intră din mitocondrii în citoplasmă , unde suferă decarboxilare și fosforilare sub influența enzimei fosfoenolpiruvat carboxikinaza se transformă în fosfoenolpiruvat . Donatorul reziduului de fosfat în reacție este guanozin trifosfat (GTP).

De la fosfoenolpiruvat la fructoză-1,6-difosfat , toate reacțiile de glicoliză sunt reversibile, astfel încât moleculele fosfoenolpiruvatului rezultat sunt folosite pentru a forma fructoză-1,6-difosfat de către aceleași enzime de glicoliză.

  • A treia etapă ireversibilă

A treia etapă ireversibilă a gluconeogenezei este conversia fructozei-1,6-difosfatului în fructoză-6-fosfat, care este necesară pentru inversarea glicolizei în această etapă, catalizată de enzima specifică fructoză-1,6-difosfatază. Aceasta este o enzimă cheie în sensul că prezența sa determină dacă țesutul este capabil să resintetizeze glicogenul din piruvat și trioză fosfați. Această enzimă se găsește în ficat și rinichi și a fost găsită și în mușchii striați . Se crede că este absent în mușchii cardiaci și în mușchii netezi .

Fructoza-6-fosfat izomerizat la glucoză-6-fosfat de către glucozofosfat izomerază.

  • A patra etapă ireversibilă

Al patrulea și ultimul pas ireversibil în gluconeogeneză este conversia glucozei-6-fosfatului în glucoză . Reacția este catalizată de o altă fosfatază specifică, glucozo-6-fosfatază (reacția ocolește reacția hexokinazei). Este prezent în ficat și rinichi, dar absent în țesutul muscular și adipos . Prezența acestei enzime permite țesutului să furnizeze glucoză în sânge .

Descompunerea glicogenului produce glucoză-1-fosfat

Descompunerea glicogenului cu formarea de glucoză-1-fosfat este efectuată de fosforilază. Sinteza glicogenului urmează o cale complet diferită, prin formarea de uridin difosfat glucoză, și este catalizată de glicogen sintetaza.

Folosind exemplul gluconeogenezei , se poate observa eficiența organizării căilor metabolice, deoarece în plus față de 4 enzime speciale de gluconeogeneză: piruvat carboxilază, fosfoenolpiruvat carboxilază , fructoză-1,6-difosfatază și glucozo-6-fosfatază , enzime separate sunt glicoliza . folosit pentru neoplasmul de glucoză .

Sinteza glucozei din lactat

Lactatul format în glicoliză anaerobă nu este un produs final metabolic. Utilizarea lactatului este asociată cu conversia sa în ficat în piruvat. Lactatul ca sursă de piruvat este important nu numai în timpul postului , ci și în timpul funcționării normale a organismului. Conversia sa în piruvat și utilizarea ulterioară a acestuia din urmă este o modalitate de a utiliza lactatul.

Lactatul, format în mușchii care lucrează intens sau în celulele cu un mod predominant anaerob de catabolism al glucozei, pătrunde în sânge și apoi în ficat. În ficat, raportul NADH / NAD + este mai mic decât în ​​mușchiul contractant , astfel încât reacția lactat dehidrogenazei se desfășoară în direcția opusă, adică spre formarea piruvatului din lactat. În plus, piruvatul este inclus în gluconeogeneză , iar glucoza rezultată intră în fluxul sanguin și este absorbită de mușchii scheletici. Această secvență de evenimente este numită „ciclul glucoză-lactat” sau „ciclul Cori” . Ciclul Corey îndeplinește 2 funcții importante:

  1.  - asigură utilizarea lactatului;
  2.  - previne acumularea de lactat si, in consecinta, scaderea periculoasa a pH-ului (acidoza lactica). O parte din piruvatul format din lactat este oxidat de ficat la CO2 și H2O . Energia de oxidare poate fi folosită pentru a sintetiza ATP , necesar reacțiilor de gluconeogeneză.
Acidoza lactica

Termenul „ acidoză ” înseamnă o creștere a acidității mediului organismului (scăderea pH-ului) la valori care se află în afara intervalului normal. Acidoza fie crește producția de protoni , fie scade excreția de protoni (în unele cazuri ambele). Acidoza metabolică apare cu o creștere a concentrației produselor metabolice intermediare (de natură acidă) datorită creșterii sintezei acestora sau scăderii ratei de degradare sau excreție. Dacă starea acido-bazică a corpului este perturbată, sistemele de compensare tampon sunt activate rapid (după 10-15 minute). Compensarea pulmonară asigură stabilizarea raportului de tampon bicarbonat HCO3- / H2CO3 , care corespunde în mod normal la 1:20, şi scade odată cu acidoză. Compensarea pulmonară se realizează prin creșterea volumului de ventilație și, în consecință, prin accelerarea eliminării CO 2 din organism. Cu toate acestea, rolul principal în compensarea acidozei este jucat de mecanismele renale cu participarea tamponului de amoniac . O cauză a acidozei metabolice poate fi acumularea de acid lactic . În mod normal , lactatul din ficat este transformat înapoi în glucoză prin gluconeogeneză sau oxidat. Pe lângă ficat, alți consumatori de lactat sunt rinichii și mușchiul inimii , unde lactatul poate fi oxidat în CO 2 și H 2 O și utilizat ca sursă de energie, în special în timpul muncii fizice.

Nivelul de lactat din sânge  este rezultatul unui echilibru între procesele de formare și utilizare a acestuia. Acidoza lactică compensată pe termen scurt apare destul de des chiar și la persoanele sănătoase cu muncă musculară intensă . La persoanele neantrenate, acidoza lactică în timpul muncii fizice apare ca urmare a unei lipse relative de oxigen în mușchi și se dezvoltă destul de repede. Compensarea se realizează prin hiperventilație .

În cazul acidozei lactice necompensate, conținutul de lactat din sânge crește la 5 mmol / l (în mod normal până la 2 mmol / l). În același timp, pH-ul sângelui poate fi de 7,25 sau mai puțin (în mod normal 7,36-7,44)

O creștere a lactatului din sânge se poate datora unei tulburări în metabolismul piruvatului .

Deci, cu hipoxie , rezultată dintr-o întrerupere a aprovizionării țesuturilor cu oxigen sau sânge , activitatea complexului de piruvat dehidrogenază scade și scade decarboxilarea oxidativă a piruvatului . În aceste condiții, echilibrul reacției piruvat ↔ lactat este deplasat spre formarea lactatului. În plus, în timpul hipoxiei, sinteza ATP scade, ceea ce duce, în consecință, la o scădere a ratei de gluconeogeneză, o altă cale de utilizare a lactatului. O creștere a concentrației de lactat și o scădere a pH-ului intracelular afectează negativ activitatea tuturor enzimelor, inclusiv piruvat carboxilază, care catalizează reacția inițială de gluconeogeneză .

Apariția acidozei lactice este, de asemenea, facilitată de încălcări ale gluconeogenezei în insuficiența hepatică de diferite origini. În plus, hipovitaminoza B 1 poate fi însoțită de acidoză lactică , deoarece derivatul acestei vitamine ( tiamin difosfat ) îndeplinește o funcție de coenzimă în compoziția piruvat decarboxilazei (PDC) în timpul decarboxilării oxidative a piruvatului . Deficitul de tiamină poate apărea, de exemplu, la alcoolicii cu o dietă perturbată .

Deci, motivele acumulării de acid lactic și dezvoltării acidozei lactice pot fi:

Gluconeogeneza din alte surse non-carbohidrate

Substraturile pentru sinteza glucozei nu sunt doar piruvatul sau lactatul, care intră în ficat și rinichi, ci și alți compuși non-carbohidrați.

Sinteza glucozei din aminoacizi

În condiții de înfometare, o parte din proteinele din țesutul muscular se descompune în aminoacizi, care sunt apoi incluși în procesul de catabolism. Aminoacizii care sunt catabolizați în piruvat sau metaboliți ai ciclului citratului pot fi considerați potențiali precursori ai glucozei și glicogenului și sunt numiți glicogeni. De exemplu, oxalacetatul , format din acid aspartic , este un intermediar atât în ​​ciclul citratului , cât și în gluconeogeneză .

Dintre toți aminoacizii care intră în ficat , aproximativ 30% este reprezentat de alanină . Acest lucru se datorează faptului că atunci când proteinele musculare sunt descompuse, se formează aminoacizi, dintre care mulți sunt transformați imediat în piruvat sau mai întâi în oxalacetat și apoi în piruvat . Acesta din urmă se transformă în alanină, dobândind o grupă amino din alți aminoacizi. Alanina din mușchi este transportată de sânge la ficat, unde este din nou transformată în piruvat, care este parțial oxidat și parțial inclus în gluconeogeneză . Prin urmare, există următoarea secvență de evenimente ( ciclul glucoză-alanină ): glucoză musculară → piruvat muscular → alanină musculară → alanină hepatică → glucoză hepatică → glucoză musculară. Întregul ciclu nu duce la creșterea cantității de glucoză în mușchi, dar rezolvă problemele transportului azotului aminic de la mușchi la ficat și previne acidoza lactică .

Sinteza glucozei din glicerol

Glicerolul se formează în timpul hidrolizei triacilglicerolilor (grăsimilor), în principal în țesutul adipos. O pot folosi doar acele țesuturi în care există o enzimă glicerol kinază, cum ar fi ficatul, rinichii. Această enzimă dependentă de ATP catalizează conversia glicerolului în α-glicerofosfat (glicerol-3-fosfat). Când glicerol-3-fosfatul este inclus în gluconeogeneză, este dehidrogenat de dehidrogenază dependentă de NAD pentru a forma dihidroxiacetonă fosfat , care este apoi transformat în glucoză.

Gluconeogeneza necesită o cantitate semnificativă de energie

Tabelul arată reacțiile care duc de la piruvat la glucoza din sânge. Reacția globală are forma:

2Pyruvat + 4ATP + 2GTP + 2NADH + 2H + + 4H 2 O → Glucoză + 2NAD + + 4ADP + 2GDP + 6F i .

Reacții secvențiale de gluconeogeneză care duc de la piruvat la glucoză Numărul de reacții repetate*
Piruvat + CO 2 + ATP → Oxaloacetat + ADP + F i x 2
Oxaloacetat + GTP ↔ Fosfoenolpiruvat + CO 2 + GDP x2
Fosfoenolpiruvat + H 2 O ↔ 2-fosfoglicerat x2
2-fosfoglicerat ↔ 3-fosfoglicerat x2
3-fosfoglicerat + ATP ↔ 3-fosfogliceroil fosfat + ADP x2
3-fosfogliceroilfosfat + NADH + H + → Gliceraldehidă-3-fosfat + NAD + Ph i x2
Gliceraldehidă-3-fosfat ↔ Dihidroxiacetonă fosfat x2
Gliceraldehidă-3-fosfat + Dihidroxiacetonă fosfat ↔ Fructoză-1,6-difosfat x2
Fructoză-1,6-difosfat + H 2 O → Fructoză-6-fosfat + F i x2
Fructoză-6-fosfat ↔ Glucoză-6-fosfat x2
Glucoză-6-fosfat + H 2 O - Glucoză + F i x2
Reacția totală:

2Pyruvat + 4ATP + 2GTP + 2NADH + 2H + + 4H 2O → Glucoză + 2NAD + + 4ADP + 2GDP + 6P i

*Numerele din dreapta indică faptul că această reacție trebuie repetată de două ori, deoarece pentru formarea unei molecule de glucoză

sunt necesari doi precursori cu trei carboni [14] .

Pentru fiecare moleculă de glucoză formată din piruvat, se consumă șase grupe de fosfat de înaltă energie - patru din ATP și două din GTP. În plus, pentru etapele de reducere sunt necesare încă două molecule NAD H. Este clar că această ecuație nu este o simplă inversare a ecuației care descrie conversia glucozei în piruvat în timpul glicolizei, deoarece o astfel de conversie este însoțită de formarea doar a două molecule de ATP [14] : Glucoză + 2ADP + 2P i + 2NAD + → 2Pyruvat + 2ATP + 2NADH + 2H + + 2H2O .

Astfel, sinteza glucozei din piruvat este destul de costisitoare pentru organism. Cu toate acestea, o mare parte din această taxă este cheltuită doar pentru asigurarea ireversibilității gluconeogenezei. În condițiile existente în celulă, în care valoarea ΔG P pentru ATP poate ajunge la 16 kcal / mol, modificarea totală a energiei libere în procesul de glicoliză este de cel puțin - 15 kcal / mol. În aceleași condiții, modificarea totală a energiei libere în timpul gluconeogenezei (sinteza glucozei din piruvat) este exprimată printr-o valoare mult mai mare. Prin urmare, în condiții intracelulare normale, atât glicoliza, cât și gluconeogeneza sunt procese ireversibile [14] .

Cicluri „inactiv” în metabolismul carbohidraților

În condiții normale, ciclurile de mers în gol probabil nu au loc, deoarece apariția lor este prevenită prin mecanisme de reglare reciprocă (mecanisme inverse). Ori de câte ori predomină catabolismul, adică atunci când fluxul total este îndreptat spre glicoliză, activitatea fructozodifosfatazei este oprită. În schimb, atunci când fluxul total este direcționat către gluconeogeneză , fosfofructokinaza este oprită.

Studii recente au arătat însă că, uneori, ciclurile inactiv pot apărea și în condiții fiziologice, având în același timp o semnificație biologică foarte definită - producerea de căldură. Un exemplu curios al unui astfel de ciclu inactiv se găsește la unele insecte . Pe vreme rece , un bondar nu poate zbura până când nu își încălzește „motorul”; temperatura musculară trebuie să crească la aproximativ 30 ° C și să fie menținută la acest nivel printr-un ciclu inactiv care implică fructoză-6-fosfat și fructoză-1,6-difosfat și hidroliza ulterioară a ATP , care servește ca sursă de căldură. De asemenea, se crede că ciclurile inactiv care generează căldură pot apărea și la unele animale care se trezesc din hibernare , adică într-o perioadă în care temperatura corpului animalului este mult mai scăzută decât în ​​mod normal.

Reglarea metabolismului carbohidraților

Modalitățile de reglare a metabolismului carbohidraților sunt extrem de diverse. La orice nivel de organizare a organismelor vii, metabolismul carbohidraților este reglat de factori care afectează activitatea enzimelor implicate în reacțiile de metabolism glucidic. Acești factori includ concentrația substraturilor, conținutul de produse (metaboliți) reacțiilor individuale, regimul de oxigen, permeabilitatea membranelor biologice, concentrația de coenzime necesare reacțiilor individuale etc.

Reglarea glicemiei

Rezultatul reglării căilor metabolice pentru conversia glucozei este constanța concentrației de glucoză în sânge .

Surse de glucoză din sânge

A. Carbohidrații conținuți în dietă.

Majoritatea carbohidraților din dietă sunt hidrolizați pentru a forma glucoză, galactoză sau fructoză, care intră în ficat prin vena portă . Galactoza și fructoza sunt rapid transformate în glucoză în ficat .

B. Diferiți compuși formatori de glucoză care intră pe calea gluconeogenezei . Acești compuși pot fi împărțiți în două grupe:

  1. compuși care se transformă în glucoză și nu sunt produse ale metabolismului său, cum ar fi aminoacizii și propionatul ;
  2. compuși care sunt produse ale metabolismului parțial al glucozei într-un număr de țesuturi; sunt transportate la ficat și rinichi, unde glucoza este resintetizată din ele.

Astfel, lactatul , format în mușchii scheletici și globulele roșii din glucoză, este transportat la ficat și rinichi , unde glucoza este re-formată din acesta, care apoi intră în sânge și țesuturi. Acest proces se numește ciclul Cori , ciclul glucolactatului sau al acidului lactic .

Sursa de glicerol , necesară pentru sinteza triacilgliceridelor (TAG) în țesutul adipos , este glucoza din sânge, deoarece utilizarea glicerolului liber în acest țesut este dificilă. Acilgliceridele (AG) ale țesutului adipos suferă o hidroliză constantă , ducând la formarea de glicerol liber, care difuzează din țesut în sânge. În ficat și rinichi, intră pe calea gluconeogenezei și se transformă înapoi în glucoză. Astfel, funcționează constant un ciclu în care glucoza din ficat și rinichi este transportată în țesutul adipos, iar glicerolul din acest țesut intră în ficat și rinichi , unde este transformat în glucoză . Dintre aminoacizii transportați în timpul înfometării de la mușchi la ficat, predomină alanina . Acest lucru a făcut posibilă postularea existenței unui ciclu glucoză-alanină, prin care glucoza curge de la ficat la mușchi, iar alanina de la mușchi la ficat, care asigură transferul azotului amino de la mușchi la ficat și „ energie liberă” de la ficat la mușchi. Energia necesară pentru a sintetiza glucoza din piruvat din ficat provine din oxidarea acizilor grași .

B. Glicogen hepatic .

Reglarea glicemiei în perioadele de absorbție și post-absorbție

Pentru a preveni o creștere excesivă a concentrației de glucoză din sânge în timpul digestiei , consumul de glucoză de către ficat și mușchi , într-o măsură mai mică, de către țesutul adipos , este de importanță primordială . Trebuie amintit că mai mult de jumătate din toată glucoza (60%) care vine din intestin în vena portă este absorbită de ficat. Aproximativ 2/3 din această cantitate este depozitată în ficat sub formă de glicogen , restul este transformat în grăsimi și oxidat, asigurând sinteza ATP . Accelerarea acestor procese este inițiată de o creștere a indicelui de insulină-glucagon. O altă parte a glucozei care provine din intestin intră în circulația generală. Aproximativ 2/3 din această cantitate este absorbită de mușchi și țesutul adipos. Acest lucru se datorează unei creșteri a permeabilității membranelor celulelor musculare și adipoase pentru glucoză sub influența unei concentrații mari de insulină. Glucoza este stocată în mușchi sub formă de glicogen și transformată în grăsime în celulele adipoase. Restul de glucoză din circulația generală este absorbită de alte celule (independente de insulină).

Cu un ritm normal de nutriție și o dietă echilibrată, concentrația de glucoză în sânge și furnizarea de glucoză la toate organele este menținută în principal datorită sintezei și descompunerii glicogenului . Numai până la sfârșitul unei nopți de somn , adică până la sfârșitul celei mai lungi pauze dintre mese, rolul gluconeogenezei poate crește ușor , a cărui valoare va crește dacă micul dejun nu are loc și postul continuă .

Reglarea glicemiei în timpul postului extrem

În timpul postului , rezervele de glicogen din organism sunt epuizate în prima zi , iar mai târziu doar gluconeogeneza (din lactat , glicerol și aminoacizi ) servește ca sursă de glucoză . În același timp, gluconeogeneza este accelerată, iar glicoliza este încetinită din cauza concentrației scăzute de insulină și a concentrației mari de glucagon . Dar, în plus, după 1-2 zile, se manifestă semnificativ și acțiunea unui alt mecanism de reglare - inducerea și reprimarea sintezei anumitor enzime: cantitatea de enzime glicolitice scade și, invers, cantitatea de enzime de gluconeogeneză crește. Modificările sintezei enzimelor sunt, de asemenea, asociate cu influența insulinei și a glucagonului.

Incepand din a doua zi de post se atinge rata maxima de gluconeogeneza din aminoacizi si glicerol. Rata gluconeogenezei din lactat rămâne constantă. Ca urmare, aproximativ 100 g de glucoză sunt sintetizate zilnic, în principal în ficat .

În timpul înfometării, glucoza nu este folosită de celulele musculare și adipoase , deoarece în absența insulinei nu pătrunde în ele și este astfel salvată pentru a furniza creierul și alte celule dependente de glucoză; asigurarea nevoilor energetice ale mușchilor și altor țesuturi se datorează acizilor grași și corpiilor cetonici. Deoarece, în alte condiții, mușchii sunt unul dintre principalii consumatori de glucoză , încetarea consumului de glucoză de către mușchi în timpul înfometării este esențială pentru furnizarea de glucoză a creierului. Cu un post suficient de lung (de câteva zile sau mai mult), creierul începe să folosească alte surse de energie (de exemplu , grăsimi ).

O variantă a înfometării este o dietă dezechilibrată, în special, atunci când dieta conține puțini carbohidrați din punct de vedere caloric  – foametea de carbohidrați. În acest caz, gluconeogeneza este, de asemenea, activată , iar aminoacizii și glicerolul, formați din proteine ​​și grăsimi dietetice, sunt utilizați pentru a sintetiza glucoza .

Reglarea glicemiei în timpul repausului și în timpul efortului

Atât în ​​timpul odihnei, cât și în timpul lucrului fizic prelungit, glicogenul stocat în mușchii înșiși, și apoi glucoza din sânge, servește ca sursă de glucoză pentru mușchi. Se știe că 100 g de glicogen se consumă prin alergare timp de aproximativ 15 minute, iar depozitele de glicogen în mușchi după aportul de carbohidrați pot fi de 200-300 g.

Figura arată valorile glicogenului hepatic și gluconeogenezei pentru a furniza glucoză pentru munca mușchilor de diferite intensități și durate.

Reglarea glicolizei și gluconeogenezei în ficat

Comparativ cu alte organe, ficatul are cel mai complex metabolism al glucozei . Pe lângă o pereche de procese opuse (sinteza și descompunerea glicogenului), în ficat pot apărea încă două procese direcționate opus - glicoliza și gluconeogeneza . În majoritatea celorlalte organe, are loc doar glicoliza. Trecerea ficatului de la glicoliză la gluconeogeneză și invers are loc cu participarea insulinei și glucagonului și se efectuează folosind:

  • reglarea alosterică a activității enzimelor;
  • modificarea covalentă a enzimelor prin fosforilare/defosforilare;
  • inducerea/reprimarea sintezei enzimelor cheie.

Influențele reglatoare vizează enzimele care catalizează etapele ireversibile ale glicolizei și gluconeogenezei, a căror combinație se numește cicluri „substrat” sau „inactiv”.

Reglarea vitezei de reacție a glicolizei și gluconeogenezei care alcătuiesc ciclurile substratului

Ciclurile „substrat” sunt combinații pereche ale proceselor de sinteză și dezintegrare a metaboliților. După cum sa menționat deja, o combinație de sinteza și degradarea glicogenului sau reacțiile de glicoliză ireversibile și reacțiile lor de gluconeogeneză ireversibile corespunzătoare, pot constitui un ciclu similar. Denumirea „ciclu de substrat” înseamnă combinația reacțiilor de sinteză și descompunere a substratului. Numele „inactiv” reflectă rezultatul muncii unui astfel de ciclu, care constă în cheltuiala inutilă a ATP . Deși existența ciclurilor „inactiv” este ilogică, totuși ele pot funcționa. Mai mult, aceste cicluri pot fi ținta influențelor reglatoare, deoarece reacțiile care le alcătuiesc sunt catalizate de diferite enzime. O schimbare reciprocă a activității acestor enzime împiedică apariția simultană a proceselor opuse.

Schimbarea direcției glicolitice în ficat către gluconeogeneză și invers atunci când starea de absorbție se schimbă într-o stare postabsorbtivă sau în timpul înfometării are loc în principal ca urmare a reglării activității enzimelor care catalizează reacțiile ciclurilor substratului. Aceste cicluri sunt indicate prin numerele I, II, III din figura care reprezintă tabloul general al reglării glicolizei și gluconeogenezei în ficat.

Direcția de reacție a primului ciclu de substrat este reglată în principal de concentrația de glucoză. În timpul digestiei, concentrația de glucoză din sânge crește (până la 8-10 mmol / l). Activitatea glucokinazei este maximă în aceste condiții. Ca urmare, reacția glicolitică de formare a glucozei-6-fosfat este accelerată. În plus, insulina induce sinteza glucokinazei și prin urmare accelerează fosforilarea glucozei. Deoarece glucokinaza hepatică nu este inhibată de glucoză-6-fosfat (spre deosebire de hexokinaza musculară), partea principală a glucozei-6-fosfat în perioada de absorbție este direcționată către sinteza glicogenului și de-a lungul căii glicolitice.

Direcția reacțiilor celui de-al doilea ciclu de substrat depinde de activitatea fosfofructokinazei și a fructozo-1,6-bifosfat fosfatazei. Activitatea acestor enzime depinde de concentrația de fructoză 2,6-bisfosfat . Fructoza-2,6-bifosfatul  este un metabolit care se formează în cantități mici din fructoză-6-fosfat și îndeplinește doar funcții de reglare. Formarea fructozei-2,6-bifosfatului prin fosforilarea fructozei-6-fosfatului catalizează o enzimă bifuncțională (BIF), care catalizează și reacția inversă. Cu toate acestea, conversia fructozei-2,6-bifosfatului în fructoză-6-fosfat nu este un proces reversibil. Formarea fructozei-2,6-bifosfatului necesită ATP, iar în formarea fructozei-6-fosfatului din fructoză-2,6-bifosfatului, fosfatul anorganic este scindat hidrolitic.

În reacția de fosforilare a fructozei-6-fosfatului, enzima prezintă activitate kinazei, iar în cazul defosforilării fructozei-2,6-bifosfatului format  , prezintă activitate fosfatază. Această împrejurare a determinat denumirea enzimei „bifuncțională”.

Activitatea kinazei BIF se manifestă atunci când enzima este în formă defosforilată (BIF-OH). Forma defosforilată a BIF este caracteristică perioadei de absorbție, când indicele de insulină / glucagon este ridicat. În această perioadă, cantitatea de fructoză-2,6-bifosfat crește.

Reacțiile kinazei și fosfatazei sunt catalizate de diferite situsuri active ale BIF, dar în fiecare dintre cele două stări ale enzimei (fosforilat și defosforilat), unul dintre situsurile active este inhibat. Efectul de reglare al fructozei-2,6-bisfosfatului este că activează alosteric fosfofructokinaza (o enzimă a glicolizei). În același timp, fructoza-2,6-bifosfatul reduce efectul inhibitor al ATP asupra acestei enzime în perioada de absorbție și îi crește afinitatea pentru fructoză-6-fosfat. În același timp, fructoza-2,6-bisfosfatul inhibă fructoza-1,6-bisfosfataza (o enzimă a gluconeogenezei). Deci, în perioada de absorbție, nivelul de fructoză-2,6-bisfosfat crește, ceea ce duce la activarea fosfofructokinazei și accelerarea glicolizei.

Rezultatul scăderii cantității de fructoză-2,6-bisfosfat în perioada postabsorbtivă va fi o scădere a activității fosfofructokinazei, încetinind glicoliza și trecerea glicolizei la gluconeogeneză. Efectul de reglare al fructozei-2,6-bisfosfatului este prezentat în figură:

În reglarea celui de-al treilea ciclu de substrat, rolul principal îi revine piruvat kinazei, a cărei formă fosforilată este inactivă, în timp ce forma defosforilată este activă.

în timpul digestiei, insulina activează fosfoprotein fosfataza, care defosforilează piruvat kinaza, transformând-o într-o stare activă. În plus, insulina din ficat afectează cantitatea de enzime, inducând sinteza piruvat kinazei și reprimând sinteza fosfoenolpiruvat carboxikinazei. Prin urmare, reacția glicolitică fosfoenolpiruvat → piruvat este accelerată în timpul digestiei. Aceeași reacție este încetinită în starea postabsorbtivă sub influența glucagonului, care fosforilează și inactivează indirect piruvat kinaza prin protein kinaza dependentă de cAMP.

În timpul postului prelungit, glucagonul accelerează gluconeogeneza. Acest lucru se realizează nu numai prin fosforilarea piruvat kinazei și scăderea vitezei de glicoliză, ci și prin inducerea sintezei enzimelor de gluconeogeneză: fosfoenolpiruvat carboxikinaza, fructozo-1,6-bisfosfatază și glucozo-6-fosfatază. Se știe că glucagonul fosforilează indirect factorii de transcripție, le afectează activitatea și astfel induce sinteza acestor enzime de gluconeogeneză. În plus, sinteza fosfoenolpiruvat carboxikinazei în timpul postului prelungit este indusă de cortizol , cu toate acestea, acest lucru are loc ca urmare a includerii unui mecanism diferit de acțiune caracteristic hormonilor steroizi .

Coordonarea vitezei de reacție a ciclurilor II și III de substrat se realizează cu ajutorul fructozei-1,6-bisfosfat, un produs al ciclului II al substratului (direcția glicolitică), care este un activator alosteric al piruvat kinazei. În timpul digestiei, datorită accelerării fazelor inițiale ale glicolizei, crește concentrația de fructoză-1,6-bisfosfat, ceea ce duce la activarea suplimentară a piruvat kinazei.

Reacțiile opuse ale fiecărui ciclu de substrat pot avea loc simultan. În consecință, glicoliza și gluconeogeneza în ficat, într-o oarecare măsură, pot avea loc, de asemenea, simultan, deși ratele lor relative se modifică. Deci, în timpul digestiei, predomină direcția glicolitică, iar în stare postabsorbtivă, direcția gluconeogenezei. De exemplu, reacția de gluconeogeneză piruvat → oxaloacetat poate avea loc în orice condiții ale corpului. Acest lucru se datorează necesității de a menține concentrația de oxaloacetat la un anumit nivel, deoarece oxaloacetatul este utilizat nu numai în gluconeogeneză, ci și în alte procese, cum ar fi ciclul citratului, transportul transmembranar al substanțelor, sinteza aminoacizilor.

Importanța glicolizei hepatice pentru sinteza grăsimilor

Principala valoare a accelerării glicolizei în ficat în timpul digestiei este formarea de dihidroxiacetonă fosfat și acetil-CoA ,  materii prime pentru sinteza grăsimilor . Formarea acetil-CoA din piruvat în timpul reacției catalizate de complexul de piruvat dehidrogenază (PDC) este reglată în moduri diferite.

În perioada de absorbție, PDC (piruvat dicarboxilază) este într-o formă defosforilată (activă), prin urmare, decarboxilarea piruvatului este accelerată. Acetil-CoA format este utilizat în principal în două moduri: pentru sinteza acizilor grași și în ciclul citratului. În timpul digestiei , formarea acetil-CoA și utilizarea sa pentru sinteza acizilor grași sunt accelerate. α-glicerofosfatul necesar pentru sinteza grăsimilor se formează în reacția de reducere din dihidroxiacetona fosfat.

Reglarea alosterică a defalcării aerobe a glucozei și a glucogenezei în ficat în funcție de starea energetică a celulei

Reglarea alosterică a ratei glicolizei, dependentă de modificările raportului ATP/ADP, are ca scop modificarea ratei de utilizare a glucozei direct de către celulele hepatice . Glucoza din celulele hepatice este folosită nu numai pentru sinteza glicogenului și a grăsimilor, ci și ca sursă de energie pentru sinteza ATP. Principalii consumatori de ATP în hepatocite sunt procesele de transport transmembranar al substanțelor, sinteza proteinelor , glicogenul , grăsimile , gluconeogeneza . Rata de sinteză a ATP depinde de rata de utilizare a ATP în aceste procese. ATP, ADP și AMP, precum și NAD + și NADH, servesc ca efectori alosterici ai unor enzime glicolitice și enzime de gluconeogeneză. În special, AMP activează fosfofructokinaza și inhibă fructoza-1,6-bisfosfataza. ATP și NADH inhibă piruvat kinaza, în timp ce ADP activează piruvat carboxilaza.

În consecință, odată cu creșterea consumului de ATP și scăderea concentrației acestuia cu creșterea simultană a concentrației de AMP, se activează glicoliza și formarea de ATP, în timp ce gluconeogeneza încetinește. În plus, viteza de reacții a căii generale de catabolism depinde de raportul ATP / ADP, AMP și NAD / NADH .

Efectul alcoolului asupra metabolismului carbohidraților

Alcoolul reduce activitatea enzimelor de glicoliză, gluconeogeneză [14] , ciclul pentozei fosfat, ciclul Krebs. Ca urmare, în țesuturile ficatului, sângelui, lichidului cefalorahidian și, în special, în creier, se acumulează produse intermediare ale metabolismului carbohidraților, ceea ce duce la „foametea de glucoză” a celulelor - adică o încălcare a utilizării glucozei de către celule tisulare [15] .

Alcoolul provoacă degenerarea celulelor pancreatice, ceea ce duce la o deficiență în eliberarea multor enzime, hormoni care afectează metabolismul carbohidraților - insulina și glucagonul. Ca urmare, riscul de pancreatită cronică crește [16] .

Este deosebit de periculos să bei alcool pentru persoanele cu diabet zaharat [16] , deoarece efectul alcoolului nu face decât să exacerbeze modificările care apar deja la persoanele cu diabet zaharat ca urmare a metabolismului afectat și a leziunilor vasculare (procesele distrofice cronice cu un final tragic se dezvoltă mai rapid. ).

Tulburări ale metabolismului carbohidraților

Numeroase tulburări ale metabolismului carbohidraților sunt combinate condiționat în mai multe grupe: hipoglicemie, hiperglicemie, glicogenoză, hexoză și pentozemie, glicogenoză. Aceste tulburări sunt considerate forme tipice de tulburări ale metabolismului carbohidraților.

Hipoglicemie

Hipoglicemia (din altă greacă ὑπό  - de jos, sub + γλυκύς  - dulce + αἷμα  - sânge ) [17]  este o afecțiune patologică caracterizată printr-o scădere a concentrației de glucoză din sânge sub 3,5 mmol/l de sânge periferic sub normal (3,3 mmol/l). ), rezultând sindromul hipoglicemic .

Mecanismul de dezvoltare a hipoglicemiei poate diferi semnificativ în funcție de etiologie. Deci, de exemplu, când se utilizează etanol , se observă următoarea imagine.

Metabolizarea etanolului în ficat este catalizată de alcool dehidrogenază. Cofactorul acestei enzime este NAD  , o substanță necesară pentru gluconeogeneză . Aportul de etanol duce la un consum rapid de NAD și o inhibare accentuată a gluconeogenezei în ficat . Prin urmare, hipoglicemia alcoolică apare atunci când rezervele de glicogen sunt epuizate, când gluconeogeneza este deosebit de necesară pentru menținerea normoglicemiei . Această situație este cel mai probabil în cazul malnutriției . Cel mai adesea, hipoglicemia alcoolică se observă la pacienții malnutriți cu alcoolism, dar se întâmplă și la persoanele sănătoase după ingestia episodică a cantităților mari de alcool sau chiar a unei doze mici de alcool, dar pe stomacul gol. Trebuie subliniat faptul că alcoolul reduce concentrația de glucoză în plasma pacienților cu funcție hepatică normală. Copiii sunt deosebit de sensibili la alcool.

Diabet zaharat

Printre bolile care se bazează pe tulburări ale metabolismului carbohidraților, diabetul zaharat ocupă un loc aparte. Acest lucru se datorează frecvenței distribuției sale și caracteristicilor biochimice relativ studiate. Principalele simptome biochimice ale diabetului zaharat sunt hiperglicemia , glucozuria, cetonimia și unele altele.

Produsele alimentare conțin diferite tipuri de carbohidrați. Unele dintre acestea, cum ar fi glucoza , constau dintr-un singur inel carbohidrat heterociclic cu șase atomi și sunt absorbite neschimbate în intestin. Altele, cum ar fi zaharoza (o dizaharidă) sau amidonul (polizaharidă), constau din două sau mai multe heterocicluri cu cinci sau șase atomi legate între ele. Aceste substanțe sunt descompuse de diferite enzime ale tractului gastrointestinal în molecule de glucoză și alte zaharuri simple și, în cele din urmă, sunt absorbite și în sânge. Pe lângă glucoză, molecule simple precum fructoza intră și în fluxul sanguin , care sunt transformate în glucoză în ficat. Astfel, glucoza este principalul carbohidrat al sângelui și al întregului organism. Joacă un rol excepțional în metabolismul corpului uman: este principala și universală sursă de energie pentru întregul organism. Multe organe și țesuturi (de exemplu, creierul ) pot folosi doar glucoza ca sursă de energie [18] .

Rolul principal în reglarea metabolismului carbohidraților în organism este jucat de hormonul pancreatic  - insulina . Este o proteină sintetizată în celulele β ale insulelor Langerhans (o acumulare de celule endocrine în țesutul pancreatic) și este concepută pentru a stimula procesarea glucozei de către celule. Aproape toate țesuturile și organele (de exemplu, ficatul, mușchii, țesutul adipos ) sunt capabile să proceseze glucoza numai în prezența acesteia. Aceste țesuturi și organe sunt numite dependente de insulină. Alte țesuturi și organe, cum ar fi creierul, nu au nevoie de insulină pentru a utiliza (procesa) glucoza și, prin urmare, sunt numite independente de insulină [19] .

Glucoza neprocesată (neutilizată) este depusă (depozitata) în ficat și mușchi sub formă de polizaharidă de glicogen , care poate fi ulterior transformată înapoi în glucoză. Dar pentru a transforma glucoza în glicogen este nevoie și de insulină.

În mod normal, nivelurile de glucoză din sânge fluctuează în limite destul de înguste: de la 70 la 110 mg/dl (miligram pe decilitru) (3,3-5,5 mmol/l) dimineața după somn și de la 120 la 140 mg/dl după mese. Acest lucru se datorează faptului că pancreasul produce cu cât mai multă insulină , cu atât este mai mare nivelul de glucoză din sânge.

În cazul deficienței de insulină ( diabet zaharat de tip 1 ) sau a unei încălcări a mecanismului de interacțiune a insulinei cu celulele corpului ( diabet zaharat de tip 2 ), glucoza se acumulează în sânge în cantități mari (hiperglicemie) și celulele corpului (cu excepția) a organelor independente de insulină) își pierd principala sursă de energie.

Toleranță la glucoză

Capacitatea unui animal și a unui om de a utiliza glucoza administrată este denumită toleranță la glucoză . Când glucoza este administrată (fie prin gură , fie într-o venă ), concentrația acesteia în sânge crește rapid. Într-un test oral de toleranță la glucoză, la o doză tipică de 1 g de glucoză per kilogram de greutate corporală, concentrațiile de glucoză din sânge pot crește de la ~90 mg la 100 ml în timpul postului la un nivel maxim de 140 mg la 100 ml în aproximativ 1 oră . În acest moment, rata de intrare a glucozei în sânge începe să scadă, în timp ce rata consumului acesteia de către țesuturi crește, astfel încât are loc o scădere a concentrației din sânge. În aceste condiții, rata crescută de eliminare a glucozei din sânge este determinată de următoarele motive: în primul rând, rata de intrare a glucozei în celule este direct proporțională cu concentrația de glucoză în lichidul extracelular și, în al doilea rând, o creștere a glucozei din sânge. nivelurile stimulează pancreasul normal să elibereze insulină în sânge cu o viteză crescută. În legătură cu creșterea afluxului de glucoză în celule, există o accelerare a glicogenezei, în special în mușchi , precum și o creștere a glicolizei , evidențiată de o creștere a conținutului de lactat din sânge; coeficientul respirator crește, crescând spre unitate, ceea ce indică o intensitate mai mare a oxidării carbohidraților , iar glicemia scade rapid. De obicei, la sfârșitul celei de-a doua ore, concentrația de glucoză din sânge devine aproximativ normală și de multe ori continuă să scadă, coborând sub nivelul inițial, probabil ca urmare a influenței continue a secreției de insulină. Pe măsură ce hiperglicemia care stimulează insulele Langerhans dispare, secreția de insulină revine la un nivel mai scăzut. Într-un test oral de toleranță la glucoză, la o persoană normală, concentrația de glucoză din sânge nu depășește niciodată valoarea la care zahărul începe să fie excretat în urină și nu apare glucozuria. La persoanele cu diabet zaharat care au deficit de insulină, nivelurile de glucoză din sânge sunt crescute în perioadele de post. După administrarea orală de glucoză, nivelurile de zahăr din sânge devin și mai mari, depășind adesea pragul renal și provocând glucozurie . Răspunsul la insulină în acest caz va fi insuficient sau nu se va manifesta deloc și, ca urmare, scăderea concentrației de glucoză din sânge se va produce lent. Se spune că o persoană cu acest tip de răspuns are o toleranță redusă la glucoză sau o curbă crescută de toleranță la glucoză.

Hiperglicemie

Hiperglicemia (din altă greacă υπερ  - mai sus, mai sus; γλυκύς  - dulce; αἷμα  - sânge) [20] este un simptom  clinic care indică o creștere a glicemiei în serul sanguin față de norma de 3,3-5,5 mmol/l [21] .

Glucozurie

Glicozuria, sau glucozuria, este prezența glucozei în urină. În mod normal, urina nu conține glucoză, deoarece rinichii sunt capabili să reabsorbă (întoarce în sânge) întreaga cantitate de glucoză care a trecut prin glomerulul renal în lumenul tubilor nefronici . În marea majoritate a cazurilor, glicozuria este un simptom al diabetului zaharat decompensat ca urmare a creșterii patologice a concentrației de glucoză în sânge. O excepție rară este o încălcare a reabsorbției în rinichi însuși, așa-numitul. glicozurie renală (renală). Glicozuria duce la pierderea excesivă de apă în urină - deshidratarea organismului, care se dezvoltă ca urmare a creșterii componentei osmotice a diurezei .

Tulburări ereditare ale metabolismului carbohidraților

Dezvoltarea celor mai multe dintre ele este o consecință a unui defect al genelor individuale care codifică enzime individuale care asigură transformarea unor substanțe ( substraturi ) în altele (produse). În cele mai multe cazuri de astfel de tulburări, patogenul este acumularea de substanțe care au un efect toxic sau afectează capacitatea de a sintetiza alți compuși vitali.

Glicogenoze

Glicogenozele  sunt o serie de boli ereditare cauzate de un defect al enzimelor implicate în descompunerea glicogenului. Ele se manifestă fie prin structura neobișnuită a glicogenului, fie prin acumularea excesivă a acestuia în ficat, mușchii cardiaci sau scheletici, rinichi, plămâni și alte organe. Tabelul descrie unele tipuri de glicogenoze care diferă prin natura și localizarea defectului enzimatic.

Forma de glicogenoză Enzimă defectuoasă Manifestări ale bolii Tipul, numele bolii
hepatic Glucozo-6-fosfataza Hipoglicemie , hiperacilglicerolemie , hiperuricemie, acidoză (datorită acumulării de lactat ), expresie facială caracteristică („fața de păpușă chinezească”). I boala lui Gierke
Amilo-1,6-glucozidaza (enzima de deramificare) Acumularea de glicogen cu ramuri externe scurte (limito-dextrină). Alte manifestări sunt mai puțin pronunțate decât la tipul I. III Boala Forbes-Corey, limitodextrinoză
Amilo-1,4 → 1,6 glucoziltransferaza (enzimă de ramificare) Acumularea de glicogen modificat structural cu ramuri exterioare foarte lungi și puncte de ramificație rare. IV boala lui Andersen
Fosforilază Acumularea de glicogen de structură normală. Hipoglicemia moderată, hepatomegalia, manifestările clinice sunt similare, dar mai puțin pronunțate decât în ​​glicogenoza de tip I și III. VI Boala ei
Fosforilaz kinaza Similar cu tipul VI IX
Protein kinaza A Similar cu tipul VI X
Muscular Glicogen fosforilaza Dureri musculare, crampe în timpul efortului fizic (chiar moderat). Acumularea de glicogen în mușchii unei structuri normale. V boala McArdle
Fosfofructokinaza Similar cu tipul V VII
Fosfogliceromutaza Similar cu tipul V
Lactat dehidrogenază (M-protomer) Similar cu tipul V
amestecat α-1,4-glicozidază lizozomală Acumulare generalizată de glicogen în lizozomi și apoi în citosol II boala Pompe

Termenul „glicogenoză” a fost propus pentru prima dată de C. F. Corey și G. T. Corey . Ei au propus, de asemenea, un sistem de numerotare pentru aceste boli. Cu toate acestea, în prezent predomină împărțirea glicogenozelor în 2 grupe: hepatică și musculară. Formele hepatice de glicogenoză duc la întreruperea utilizării glicogenului pentru menținerea nivelului de glucoză din sânge. Prin urmare, un simptom comun pentru aceste forme este hipoglicemia în perioada postabsorbtivă.

Boala Gierke (tip I)  este cea mai frecventă. Descrierea principalelor simptome ale acestui tip de glicogenoză și cauzele acestora poate servi ca bază pentru înțelegerea simptomelor tuturor celorlalte tipuri. Cauza acestei boli este un defect ereditar al glucozo-6-fosfatazei, o enzimă care asigură eliberarea glucozei în fluxul sanguin după eliberarea acesteia din glicogenul celulelor hepatice. Boala Gierke se manifestă prin hipoglicemie, hipertriacilglicerolemie (creștere a conținutului de triacilgliceroli), hiperuricemie (creștere a conținutului de acid uric ).

Boala Cori, boala Forbes, limitodextrinoza (tip III) sunt foarte frecvente. Reprezintă 1/4 din toate cazurile de glicogenoză hepatică. Glicogenul acumulat are o structură anormală, deoarece enzima amilo-1,6-glucozidaza este defectă, care hidrolizează legăturile glicozidice la locurile de ramificare („debranching enzyme”, din engleză  debranching enzyme ). Lipsa de glucoză din sânge se manifestă rapid, deoarece glicogenoliza este posibilă, dar în cantitate mică. Spre deosebire de glicogenoza de tip I, nu se observă acidoză lactică și hiperuricemie. Boala are o evoluție mai blândă.

Boala Andersen (tip IV) este o tulburare autozomal recesivă  extrem de rară, rezultată dintr-un defect al enzimei ramificate amil-1,4-1,6-glucoziltransferaza. Conținutul de glicogen din ficat nu crește foarte mult, dar structura acestuia este modificată, iar acest lucru previne descompunerea acestuia. Molecula de glicogen are puține puncte de ramificare și ramuri laterale foarte lungi și rare. În același timp, hipoglicemia este moderat exprimată. Boala se dezvoltă rapid, este agravată de ciroza hepatică precoce și este practic netratabilă. Un defect al enzimei de ramificare se găsește nu numai în ficat, ci și în leucocite, mușchi, fibroblaste, iar manifestările precoce și predominante ale bolii se datorează tulburării funcției hepatice .

Boala ei (tip VI) (deficit de hepatofosforilază) prezintă, de asemenea, simptome asociate cu boala hepatică. Această glicogenoză este o consecință a unui defect al glicogen fosforilazei. Hepatocitele B acumulează glicogen de structură normală. Cursul bolii este similar cu glicogenoza de tip I, dar simptomele sunt mai puțin pronunțate. Activitatea redusă a glicogen fosforilazei se găsește și în leucocite. Boala ei este un tip rar de glicogenoză; moștenit în mod autosomal recesiv.

Defectul fosforilaz kinazei (tip IX) (boala Hag) - apare numai la băieți, deoarece această trăsătură este legată de cromozomul X. Pacienții au hepatomegalie.

Un defect în protein kinaza A (tip X) , precum și un defect în fosforilază kinaza, prezintă simptome similare cu boala Hers. Un caz este cunoscut la un singur pacient, moștenirea nu a fost stabilită.

Formele musculare de glicogenoză se caracterizează printr-o perturbare a aprovizionării cu energie a mușchilor scheletici. Aceste boli se manifestă în timpul efortului fizic și sunt însoțite de dureri și crampe în mușchi, slăbiciune și oboseală.

Boala McArdle (tip V)  este o patologie autosomal recesivă în care activitatea glicogen fosforilazei este complet absentă în mușchii scheletici. Deoarece activitatea acestei enzime în hepatocite este normală, hipoglicemia nu este observată (structura enzimei din ficat și mușchi este codificată de gene diferite). Activitatea fizică severă este slab tolerată și poate fi însoțită de convulsii, cu toate acestea, hiperproducția de lactat nu este observată în timpul efortului fizic, ceea ce subliniază importanța surselor de energie extramusculară pentru contracția musculară, de exemplu, cum ar fi acizii grași, care înlocuiesc glucoza în acest sens. patologie (vezi pct. 8). Deși boala nu este legată de sex, prevalența bolii este mai mare la bărbați [2] .

Un defect al fosfofructokinazei ( boala Tarui, deficit de miofosfofructokinaza) este caracteristic glicogenozei de tip VII. Pacienții pot efectua o activitate fizică moderată. Evoluția bolii este similară cu glicogenoza de tip V, dar principalele manifestări sunt mai puțin pronunțate.

Un defect în fosfogliceromutază și un defect în subunitatea M a LDH (nenumerotate conform clasificării lui Corey) sunt caracteristice formelor musculare de glicogenoză. Manifestările acestor patologii sunt similare cu boala McArdle. Un defect al fosfogliceromutazei musculare a fost descris la un singur pacient.

Forme mixte de glicogenoze. Aceste boli se caracterizează prin tulburări ale metabolismului glicogenului, atât la nivelul muşchilor, cât şi la nivelul ficatului, putând afecta alte organe [2] .

Boala Pompe (tip II)  se moștenește în mod autosomal recesiv . Simptomele apar în primele săptămâni de viață - până la șase luni după naștere. Defectul enzimatic a fost găsit în ficat, rinichi, splină, mușchi, țesut nervos și leucocite. Există detresă respiratorie, anxietate sau slăbiciune. Există lipsa poftei de mâncare, întârzierea creșterii, hipotonie musculară. Dimensiunea inimii, ficatului, rinichilor, splinei crește. Inima capătă o formă sferică, din cauza hipertrofiei miocardice, apar modificări ECG. Adesea se observă pneumonie ipostatică, bronșită, atelectazie pulmonară, miodistrofie, hiporeflexie, paralizie spastică. Forma musculară a glicogenozei de tip II apare numai la mușchii cu deficit de α-1,4-glucozidază acidă. Boala se manifestă la o dată ulterioară iar tabloul clinic seamănă cu miopatia [2] .

Aglicogenoze

Aglicogenoza (glicogenoza 0 conform clasificării) este o boală rezultată dintr-un defect al glicogen sintazei. În ficat și alte țesuturi ale pacienților, se observă un conținut foarte scăzut de glicogen. Aceasta se manifestă prin hipoglicemie pronunțată în perioada postabsorbtivă. Un simptom caracteristic sunt convulsiile, mai ales dimineața. Boala este compatibilă cu viața, dar copiii bolnavi au nevoie de hrănire frecventă.

Mucopolizaharidoze

Mucopolizaharidozele (MPS) sunt un grup eterogen de boli clasificate drept boli ereditare ale metabolismului complex al zahărului. MPS este însoțită de acumularea excesivă în țesuturi și excreția crescută de glicoză-aminoglicani (GAG) - mucopolizaharide acide asociate cu proteine ​​și formate din acizi uronici, aminozaharoze și zaharuri neutre. Aceste complexe există sub formă de proteoglicani, care sunt cele mai importante componente ale principalei proteine ​​structurale a părului (0-keratina) și proteina structurală a țesutului conjunctiv (colagen) [22] .

Pentru majoritatea MPS, un mod de moștenire autosomal recesiv este caracteristic, cu excepția sindromului Hunter ( recesiv legat de X ).

Unele tulburări moștenite ale metabolismului carbohidraților au fost descrise mai sus.

Vezi și

Note

  1. ↑ Compușii acidului glucuronic formați în organism în timpul neutralizării și eliberării de substanțe toxice (bilirubină, fenoli etc.).
  2. ↑ 1 2 3 4 5 6 Severin E. S. . Biologie. - M. : GEOTAR-MED, 2004. - 779 p. — ISBN 5-9231-0254-4 .
  3. ↑ Joost H., Thorens B.  Familia extinsă GLUT de facilitatori de transport de zahăr/poliol: nomenclatură, caracteristici de secvență și funcție potențială a membrilor săi romani (recenzie) // Mol. Membr. Biol.. - 2001. - Vol. 18, nr. 4. - P. 247-256. - doi : 10.1080/09687680110090456 . — PMID 11780753 .
  4. ↑ Uldry M., Thorens B.  Familia SLC2 de transportatori facilitati de hexoză și poliol // Pflügers Archiv: Jurnalul European de Fiziologie. - 2004. - Vol. 447, nr. 5. - P. 480-489. - doi : 10.1007/s00424-003-1085-0 . — PMID 12750891 .
  5. ↑ 6. Valoarea glicolizei anaerobe - Curs 3. Metabolismul carbohidraților - Biochimie - Curs 2 curs - Medkurs.ru - server medical . Consultat la 21 martie 2013. Arhivat din original pe 22 martie 2013.
  6. ↑ Schlegel G. . Microbiologie generală. - M .: Mir , 1987.  - S. 263.
  7. ↑ Fermentarea acidului lactic (link inaccesibil) . Preluat la 8 martie 2013. Arhivat din original la 11 ianuarie 2013. 
  8. ↑ Fermentația butirică (link inaccesibil) . Preluat la 8 martie 2013. Arhivat din original la 12 noiembrie 2016. 
  9. ↑ Fermentarea acidului citric | Microbiologie (link inaccesibil) . Preluat la 8 martie 2013. Arhivat din original la 15 ianuarie 2013. 
  10. ↑ Fermentarea acetonă-butil | Obiecte ale naturii vii . Preluat la 8 martie 2013. Arhivat din original la 15 martie 2013.
  11. ↑ Stroev E. A. Biological chemistry: Textbook for pharmaceutical. in-tov și pharmac. fals. Miere. în-tovarăș. - M . : Şcoala superioară, 1986. - 479 p.
  12. ↑ Nelson & Cox, 2008 , p. 563.
  13. ↑ Microbiologie modernă, 2005 , p. 267.
  14. ↑ 1 2 3 4 Lehninger, 1985 .
  15. ↑ Efectul alcoolului asupra organismului . Preluat: 8 martie 2013.
  16. ↑ 1 2 Kasatkina E. P. . Diabetul zaharat la copii. 1-a ed. — M .: Medicină , 1990. — 272 p. — ISBN 5-225-01165-9 .  - S. 41-90.
  17. ↑ Vezi ὑπό, γλυκύς, αἷμα în „Dicționarul antic greco-rus” al lui Dvoretsky I. Kh. (editat de Sobolevsky S. I.) , 1958).
  18. ↑ Endocrinologie clinică. management. Ed. a III-a / Ed. N. T. Starkova. - Sankt Petersburg. : Peter, 2002. - 576 p. — (Tovarășul doctorului). - ISBN 5-272-00314-4 .  - S. 209-213.
  19. ↑ Mihailov V. V. . Fundamentele fiziologiei patologice: un ghid pentru medici / Ed. B. M. Sagalovici. — M .: Medicină , 2001. — 704 p. — ISBN 5-225-04458-1 .  - S. 117-124.
  20. ↑ Vezi υπερ, γλυκύς, αἷμα în „Dicționarul antic greco-rus” al lui Dvoretsky I. Kh. (editat de Sobolevsky S. I.) , 1958.
  21. ↑ Efimov A. S., Skrobonskaya N. A. . Diabetologie clinică. 1-a ed. - Kiev: Sănătate, 1998. - 320 p. — ISBN 5-311-00917-9 .  - S. 273-277.
  22. ↑ Tulburări ereditare ale metabolismului carbohidraților care duc la afectarea ficatului | Ediția online a „Știri despre medicină și farmacie” . Preluat la 8 martie 2013. Arhivat din original la 15 martie 2013.

Literatură

  • Berezov T. T., Korovkin B. F. . Chimie biologică. a 3-a ed. — M .: Medicină , 1998. — 704 p. — ISBN 5-225-02709-1 .
  • Kolman J., Rem K. G. . Biochimie vizuală / Per. cu germană .. - M . : Mir , 2000. - 469 p. - ISBN 5-03-003304-1 .
  • Lehninger A. Fundamentele biochimiei: În 3 vol. T. 2 / Per. din engleză.- M . : Mir , 1985. - 368 p.
  • Murray R., Grenner D., Meyes P., Rodwell W. . Biochimie umană: În 2 vol. T. 1 / Per. din engleză.- M . : Mir , 1993. - 384 p. — ISBN 5-03-001774-7 .
  • Metzler D. Reacții chimice în celule: În 3 vol. T. 2 / Per. din engleză.- M . : Mir , 1980. - 608 p.
  • Nikolaev A. Ya. Chimie biologică. a 3-a ed. — M .: Med. informa. Agenţie, 2004. - 565 p. - ISBN 5-89481-219-4 .
  • Fundamentele biochimiei: În 3 vol. T. 2 / Per. din engleza. V. P. Skulachev, E. I. Budovsky, L. M. Ginodman; ed. Yu. A. Ovchinnikova. — M .: Mir , 1981. — 617 p.
  • Microbiologie modernă. procariote. T. 1 / Ed. J. Lengeler, G. Drews, G. Schlegel. — M .: Mir , 2005. — 654 p. — (Cel mai bun manual străin). — ISBN 5-03-003707-1 .
  • Nelson D. L., Cox M. M. . Principiile Lehninger ale biochimiei. a 5-a ed. - New York: W. H. Freeman and Company, 2008. - 1158 p. - ISBN 978-0-7167-7108-1 .

Link -uri