Вміст цукру в крові людини і деяких тварин

Об'єкт дослідження	Вміст цукру, ммоль/л	Об'єкт дослідження	Вміст цукру, ммоль/л
Ссавці		Птахи	8,2 – 11,0
людина	4,5 – 6,6	Рептилії	3,2 – 11,0 (залежно від сезону)
велика рогата худоба	5,6 – 5,8
вівці	3,4 – 3,6	Амфібії	0,8 – 3,0
кози	4,5 – 4,8	Риби	1,0 – 2,0
кролі	5,6 – 5,8	Безхребетні
собаки	4,5 – 5,6	молюски	0,8 – 2,5
Морські свинки	6,6 – 6,7	ракоподібні	0,09 – 1,5
	комахи	11,0 – 12,5

 

Глюкоза знаходиться у вільному і зв'язаному станах. У деяких випадках кількість зв'язаної глюкози досягає 40 – 50% загального її вмісту в крові, вміст глікогену – до 15 – 50 мг%. Артеріальна кров, що поступає в головний мозок по сонних артеріях, на 98 – 105 мг% багатша глюкозою, ніж венозна кров, що відтікає від мозку по яремних венах.

Існує два основні шляхи поповнення вмісту глюкози у крові – всмоктування простих цукрів, в основному глюкози, у тонкій кишці та розкладання глікогену в печінці.

Печінка виділяє у кров у середньому 3,5 мг глюкози на 1 кг маси тіла за 1 хв. Виділення глюкози печінкою залежить від вмісту цукру, що потрапляє в печінку з кров'ю. При низькому вмісті цукру у крові печінка виділяє глюкозу в кров, а при високому – захоплює її і використовує для синтезу глікогену.

Отже, однією з найважливіших функцій печінки є підтримування сталого рівня глюкози у крові – глюкостатична, або гомеостатична, функція, в основі якої лежить здатність ферментних систем клітин печінки змінювати свою активність залежно від концентрації цукру в крові.

На вміст цукру в крові може впливати і м'язова тканина, яка в період інтенсивної роботи поглинає значну кількість глюкози з крові і використовує її для синтезу глікогену. Розкладання глікогену, синтезованого у м’язах, є важливим джерелом енергії, необхідної для забезпечення їх здатності до скорочення.

Оскільки при фізичній роботі обмін вуглеводів у м’язах проходить в анаеробних умовах, то глюкозо-6-фосфат, який утворюється під час розкладання глікогену, перетворюється на молочну кислоту.

В період відпочинку організму частина молочної кислоти використовується для синтезу глікогену в м’язах, а інша частина може надходити у кров, звідки захоплюється печінкою і використовується для синтезу глікогену. Отже, між глікогеном, синтезованим у м'язах і печінці, існує динамічний взаємозв'язок: глікоген печінки постачає кров глюкозою, яка використовується для синтезу глікогену у м'язах; глікоген, синтезований у м'язах, розкладається на молочну кислоту, з якої синтезується глікоген у печінці. Цей взаємозв'язок дістав назву циклу Корі:

 

Синтез глікогену

Глікоген як джерело хімічної енергії і регулятор осмотичного тиску крові має велике значення для організму. В органах відкладається у вигляді зерен.

Вміст глікогену в печінці людини і тварин при надмірному вуглеводному живленні іноді складає 15 – 20% загальної сухої маси органу. В печінці людини міститься до 150 г глікогену. Багато полісахариду нагромаджується в інших органах і тканинах. Так, у м'язах вміст глікогену досягає 0,2 – 2%, у нервовій тканині – 0,15% загальної сухої маси.

Якщо для синтезу глікогену джерелом служить глюкоза, цей процес називають глікогенез, якщо інші сполуки (аміно-, кето-, оксикислоти і низькомолекулярні жирні кислоти) – гліконеогенез.

Глікогенез. Утворення глікогену детально вивчено в печінці. В гепатоцитах глюкоза під впливом гексокінази фосфорилюється:

 

 

 

Далі глюкозо-6-Ф під впливом фосфоглюкомутази ізомеризується в глюкозо-1-фосфат:

 

Глюкозо-1-фосфат під впливом ферменту глюкозо-1-фосфат-уридилтрансферази вступає в реакцію з УТФ, утворюючи УДФ-глюкозу:

 

 

 

УДФ-глюкоза під дією ферменту глікогенсинтетази і за наявності невеликої кількості „затвравки” глікогену переносить залишок глюкози на молекулу глікогена, що призводить до подовження ланцюга полісахариду за рахунок утворення зв'язку 1,4:

 

(C₆H₁₀O₅)_n + УДФ-глюкоза ® (C₆H₁₀О₅)_n+1 + УДФ.

 

УДФ фосфорилується за рахунок АТФ, перетворюється в УТФ і вступає в реакцію з новими молекулами глюкозо-1-фосфата. При утворенні зв'язків 1,6 в реакції бере участь фермент a-глюкан-розгалуджуюча глікозилтрансфераза (фермент розгалуження). Для подовження ланцюга молекули глікогену на один мономер затрачується один макроергічний зв'язок (~), що містить у собі 32 – 40 кДж. В окремих випадках молекула глікогену може синтезуватися на поліпептидному ланцюзі білка – ініціатора синтезу глікогену, без участі „затравки”. Іноді молекула глікогену утворюється без витрати енергії АТФ під впливом ферменту фосфорилази.

Гліконеогенез. Глікоген, так само як і глюкоза, може синтезуватися із сполук невуглеводної природи. Попередниками глікогену в даному випадку є: піровиноградна і молочна кислоти; проміжні компоненти циклу Кребса; глікогенутворюючі амінокислоти, тобто ті амінокислоти які можуть перетворюватися на піровиноградну кислоту, в проміжні продукти циклу Кребса або в пропіоніл-КоА і нарешті гліцерин, який утворюється в обміні ліпідів.

Такого роду синтез глікогену, який відбувається головним чином в печінці і нирках, називають гліконеогенезом. Цей процес дозволяє поповнювати резерви глікогену, але у разі потреби ланцюг перетворень не доходить до глікогену, а закінчується на глюкозо-6-фосфаті, який гідролізується до глюкози, що поступає далі через кров до клітин.

Ланцюг, що починається з піровиноградної кислоти. Гліконеогенез – це оборотний гліколізу процес, де два етапи каталізуються в протилежних напрямах не одними і тими ж, а різними ферментами. Ці етапи мають принципове значення.

Біосинтез фосфоенолпіровиноградної кислоти з піровиноградної кислоти. Цей синтез не може ефективно здійснюватися безпосередньо в прямому напрямку через дуже високий енергетичний бар'єр реакції, тому він відбувається в два етапи:

1) карбоксилування піровиноградної кислоти до щавелевооцтової кислоти, реакцію каталізує фермент піруваткарбоксилаза. Ця реакція відбувається в мітохондріях. Фермент є тетрамером, до його складу входять чотири молекули біотину:

 

 

2) фосфорилююче декарбоксилювання. Щавелевооцтова кислота декарбоксилюється, приєднуючи фосфат (ГТФ або ІТФ) з утворенням фосфоенолпіровиноградної кислоти, реакцію каталізує фосфоенолпіруваткарбоксикіназа:

 

 

ГТФ (або ІТФ) ресинтезується за рахунок АТФ. Таким чином, на синтез фосфоенолпіровиноградної кислоти, витрачається дві молекули АТФ.

Дефосфорилування фруктозо-1,6-дифосфата до фруктозо-6-фосфата. Фруктозо-1,6-дифосфат гідролізується на фруктозо-6-фосфат і фосфорну кислоту. Реакцію каталізує фермент фруктозодифосфатаза. Цей фермент, виділений з печінки, вдалося отримати в кристалічній формі. Він утворений двома субодиницями, його молекулярна маса 127000. Фермент каталізує реакцію:

 

Фруктозо-1,6-дифосфат + Н₂О ® Фруктозо-6-фосфат + Н₃РО₄

 

Реакцію у зворотному напрямку каталізує фосфофруктокіназа у присутності АТФ. Активністю обох ферментів, діючих на одні і ті ж субстрати, але каталізуючих реакції, що йдуть в протилежних напрямках, управляють алостеричні інгібітори: фосфофруктокіназу гальмує АТФ; фруктозодифосфатазу – АМФ. Решта ферментів ланцюга гліколіза діє оборотно і бере участь однаково як при гліколізі, так і при гліконеогенезі.

Ланцюг, що починається з щавелевооцтової кислоти. Щавелевооцтова кислота є попередником фосфоенолпіровиноградної кислоти. В той же час вона є продуктом окислення ацетил-КоА у циклі Кребса. Тому, всі проміжні продукти циклу Кребса можуть служити попередниками глюкози і глікогену, а також, всі амінокислоти, які здатні перетворюватися в компоненти циклу Кребса, є глікогенутворюючими амінокислотами. Таким чином, щавелевооцтова кислота відіграє фундаментальну роль в гліконеогенезі, оскільки через неї в ланцюг біосинтезу глікогену і глюкози вступають піровиноградна кислота, проміжні продукти циклу Кребса і глікогенутворюючі амінокислоти.

Ланцюг, що починається з гліцерину. Гліцерин входить в ланцюг синтезу глікогену через реакцію:

 

 

У такий спосіб гліцерин теж виявляється попередником глікогену.

Гліконеогенез (схема 1) є фізіологічно важливим процесом, оскільки глюкоза абсолютно необхідна для клітин.

 

 

Схема 1. Гліконеогенез.

 

Разом з тим завдяки цьому процесу не обов'язково, щоб глюкоза входила до складу їжі – у разі відсутності в раціоні вуглеводів як попередники глікогену і глюкози можуть виступати білки. Відповідні реакції контролюються гормоном кори наднирників гідрокортизоном, а також панкреатичним гормоном глюкагоном.

Розпад глікогену

Глікоген – лабільна сполука. Протягом доби в організмі людини і тварин синтезується і розщеплюється 65 – 70% глікогену печінки.

Зменшення вмісту цукру в крові рефлекторно призводить до розпаду глікогену в печінці і нормалізації вмісту глюкози в крові. Ці процеси регулюються гормонально (синтез – інсуліном, розпад – адреналіном і глюкагоном).

Розщеплення глікогену здійснюється двома шляхами: фосфоролізом і гідролізом. Велика частина глікогену розщеплюється фосфоролітичним шляхом. Так, під впливом ферменту фосфорилази відбувається поступове зменшення молекули глікогену з утворенням глюкозо-1-фосфата.

Бічні відгалуження молекули глікогену відщеплюються під впливом гідролітичного ферменту аміло-1,6-глюкозидази.

Далі глюкозо-1-фосфат під впливом ферменту фосфоглюкомутази перетворюється в глюкозо-6-фосфат. Глюкозо-6-фосфат під впливом ферменту глюкозо-6-фосфатази розщеплюється до глюкози і неорганічного фосфату (H₃PO₄). Глюкоза поступає в кровоносне русло, а неорганічний фосфат використовується для реакцій фосфорилування.

Деяка частина глікогену розщеплюється гідролітично під впливом ферменту амілази з утворенням декстринів і мальтози:

 

(C₆H₁₀О₅)_n + nH₂O ® (C₆H₁₀O₅)_x + nC₁₂H₂₂O₁₁.

декстрини мальтоза

 

Потім під впливом ферменту мальтази мальтоза розщеплюється до глюкози, яка поступає в кровоносне русло:

 

С₁₂Н₂₂О₁₁ + H₂O ® 2C₆H₁₂O₆.

 

Реакції фосфоролізу глікогену оборотні. Їх швидкість залежить від вмісту глікогену, глюкозо-6-фосфата і H₃PO₄. Так, при збільшенні концентрації глюкозо-6-фосфата реакція йде у напрямі утворення глікогену. Глюкоза крові в основному використовується для енергетичних потреб організму.

Процеси перетравлювання, всмоктування і перетворення основної маси вуглеводів у печінці і тканинах показані на схемі 2.

 

 

Схема 2. Процеси перетворення вуглеводів у печінці та тканинах.

 

У тканинах і клітинах основними енергетичними перетвореннями вуглеводів є: анаеробне розщеплення, цикл трикарбонових кислот Кребса і пентозофосфатний шлях (ПФШ), або пентозний цикл. Всі три процеси взаємозв'язані, оскільки в кожному з них є загальні для всього проміжного обміну вуглеводів продукти хімічних реакцій, і беруть участь одні і ті ж ферментативні системи.