КАТАБОЛІЗМ ТА БІОСИНТЕЗ ГЛІКОГЕНУ. РЕГУЛЯЦІЯ ОБМІНУ ГЛІКОГЕНУ. БІОСИНТЕЗ nГЛЮКОЗИ – ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ. МЕХАНІЗМИ ГОРМОНАЛЬНОЇ РЕГУЛЯЦІЇ ТА ПАТОЛОГІЯ ОБМІНУ nВУГЛЕВОДІВ

 

ГЛІКОГЕН (С₆Н₁₀О₅)_n (лат. Glycogenum, грец. glykys – nсолодкий + genos –  рід, походження) – основний nрезервний полісахарид вищих тварин і людини, побудований із залишків α–D–глюкози. nЙого роль є аналогічною до ролі крохмалю в клітинах рослин. Глікоген міститься в усіх органах і тканинах nтварин і людини, а також у невеликих кількостях у nбактеріях і рослинах. Найбільша кількість його виявлена в печінці (близько 7% nзагальної маси органу) і скелетних м’язах.

Молекули глікогену мають розгалужену nструктуру і складаються nіз залишків nα–D–глюкози, nз’єднаних 1-4- та 1-6-глікозидними nзв’язками (рис. 1).

Рис. 1. Структура nмолекули глікогену

У молекулі глікогену розрізняють внутрішні гілки – nділянки поліглюкозидних ланцюгів між точками розгалуження, і зовнішні гілки – nділянки від периферичної точки розгалуження до нередукуючого кінця ланцюга n(рис. 2).

Рис. 2. Будова молекули nглікогену (за Майєром): білі кільця – залишки глюкози, з’єднані nα-(1→4)-зв’язком; чорні кільця – залишки глюкози, з’єднані nза допомогою α-(1→6)-зв’язку (місця розгалуження); R – редукуюча кінцева група.

Здатність печінки підвищувати nконцентрацію глюкози в крові та наявність у ній крохмалеподібної речовини, яку nбуло названо глікогеном, була відкрита у 1875 р. Клодом Бернаром.

 

Бернар Клод (1813-1878) – французький фізіолог і патолог, nчлен Паризької Академії наук. Працював асистентом у лабораторії Ф. nМажанді, а після nйого смерті очолив nкафедру експериментальної медицини.

Основні роботи: анатомія і фізіологія секреторного нерва слинної nзалози, дисертація про шлунковий сік та його nроль в харчуванні. nВстановив глікогенну функцію печінки, зв’язок між утворенням глікогену і засвоєнням їжі, здатність nпечінки утворювати глікоген з nбілка. Доказав, що глікоген печінки є джерелом цукру крові. Виявив nроль печінки і nЦНС в регуляції nвуглеводного обміну.

 

Через кожні 8-10 мономерних залишків відбувається nгалуження, бічні гілки приєднані (α1→6)-зв’язками. Таким чином молекула глікогену значно nбільш компактна і розгалужена ніж крохмалю. Ступінь nполімеризації nблизький до такого в амілопектину.

Всі розгалуження nглікогену мають нередукуючі nкінці, отже якщо nкількість гілок рівна n, то у молекулі буде n-1 nнередукуючих кінців і всього один редукуючий. Коли відбувається гідроліз глікоген nз метою використання його в якості джерела енергії, залишки глюкози по одному nвідщеплюються від нередукючих кінців. Їх велика кількість дозволяє суттєво nприскорити процес. Найбільш стабільною конформацією гілок nіз (α1→4)-зв’язками nє щільна спіраль із шістьма залишками глюкози на оберт (площина кожної молекули nповернута на 60° відносно попередньої).

Для виконання своєї біологічної функції – забезпечення nмаксимально компактного зберігання глюкози та одночасно можливості її швидкої nмобілізації, глікоген повинен мати будову оптимізовану за кількома параметрами: n

1) кількістю ярусів (рівнів) галуження;

2) кількістю гілок у кожному ярусі;

3) кількістю залишків глюкози у кожній гілці.

Для молекули глікогену із сталим числом мономерних ланок nкількість зовнішніх гілок, з яких може мобілізуватись глюкоза до точки nгалуження, падає із зростанням середньої довжини кожної гілки. Щільність nнайбільш зовнішніх гілок стерично обмежена, через це максимальний розмір nмолекули глікогену зменшується із збільшенням кількості гілок на одному рівні. nЗрілі молекули глікогену різного походження мають в середньому 12 ярусів nгалуження, на кожному із яких розміщується в середньому по дві гілки, кожна зі nяких містить близько 13 залишків глюкози. Математичний аналіз показав, що така nбудова дуже близька до оптимальної для мобілізації максимальної кількості nглюкози за мінімальний час.

Поширення і значення глікогену

Глікоген є формою запасання глюкози у тварин, грибів, nдеяких бактерій (зокрема ціанобактерій) та nарехей. У мікроорганізмів nглікоген більш менш рівномірно розкиданий по цитоплазмі клітини у вигляді nгранул діаметром 20–100 нм, їх зазвичай nможна побачити тільки через електронний мікроскоп. Якщо клітина містить багато nглікогену вона стає червоно-коричневою при зафарбовуванні розчином йоду.

У хребетних тварин найбільші кількості глікогену nзапасаються печінкою, де він може становити 7–10 % загальної маси n(100 –120 г у дорослої людини), та nскелетними м’язами (1-2 % від загальної маси). Невеликі кількості nглікогену знаходяться в нирках, і ще менші – в певних гліальних клітинах мозку і білих кров’яних nтільцях.

Запасання nглюкози не у вільній формі, а саме у вигляді полісахаридів диктується двома nпричинами. По-перше, якби, наприклад, у гепатоциті вся маса глюкози, що входить до nскладу глікогену, перебувала у вільному стані, її концентрація сягнула би 0,4 nмоль/л. А це у свою чергу призвело би до значного підвищення nосмотичного тиску цитозолю, надмірного надходження води у nклітину і її розривання. По-друге, така висока концентрація глюкози зробила би nфактично неможливим її активний транспорт із оточення клітини, у випадку nгепатоцита із крові, де рівень глюкози становить всього n5 ммоль/л. Зберігання ж глюкози у формі глікогену дозволяє скоротити її nконцентрацію у клітині до 0,01 мкмоль/л.

Запаси глікогену у людей значно менші ніж запаси жирів. Останні мають ряд переваг: по-перше, вони дають можливість nотримати більше, nніж вдвічі більше енергії, ніж така ж маса вуглеводів, по-друге, це гідрофобні молекули і, на nвідміну від вуглеводів, не потребують гідратації, а це дозволяє скоротити масу енергетичних запасів. Проте глікоген nє швидшим джерелом енергії, крім того в організмі nтварин відсутні метаболічні шляхи перетворення жирних кислот у глюкозу, а отже nвони не можуть використовуватись мозком і в анаеробному метаболізмі м’язів.

У гепатоцитах глікоген зберігається у вигляді великих цитоплазматичних nгранул. Елементарна так nзвана β-частинка, що є однією молекулою nглікогену, має діаметр близько 21 нм і включає до 55 000 залишків nглюкози та має 2000 нередукуючих кінців. 20-40 таких часточок разом утворюють nα-розетки, які можна бачити у під мікроскопом у тканинах тварин, яких nдобре годують. Проте вони зникають після 24-годинного nголодування. Глікогенові гранули – це складні агрегати, до складу яких крім самого глікогену входять ферменти, що синтезують і розщеплюють його, а nтакож регуляторні молекули (рис. 3).

Глікоген у м’язах слугує джерелом nшвидкої енергії як за аеробного, так і за анаеробного метаболізму. Його запаси можуть бути вичерпані за nодну годину інтенсивного фізичного навантаження.

Рис. n3. nГранули глікогену у м’язовій клітині

 

Глікоген у м’язах слугує джерелом nшвидкої енергії як за аеробного, так і за анаеробного метаболізму. Його запаси можуть бути вичерпані за nодну годину інтенсивного фізичного навантаження. Регулярне тренування дозволяє nзбільшити запаси глікогену в м’язах, внаслідок чого вони nможуть довше працювати без втоми. У печінці глікоген є резервом глюкози для nінших органів, на той випадок, якщо її надходження із nїжею обмежене. Особливо важливий такий запас для нейронів, які не можуть використовувати в nякості енергетичного субстрату жирні кислоти. Печінковий запас глікогену під час голодування вичерпується за 12-24 годин.

Глікоген nтакож міститься у секреті залоз матки, який вони виділяють в її порожнину у постовуляційний період менструального циклу після запліднення. Тут полісахарид використовуються як nджерело живлення для ембріона до його імплантації. Глікоген також надходить в організм nіз їжею і розщеплюється у тонкому кишківнику гідролітичними ферментами.

Норма глікогену в крові – 16,2 – 38,7 мг/л. Підвищення nконцентрації глікогену в крові спостерігають при інфекційних захворюваннях, nхворобах крові, що супроводжуються лейкоцитозом, діабеті, новоутвореннях. Зниження nконцентрації глікогену характерне для дітей з гострими гепатитами. Важливе nклінічне значення має цитохімічне визначення рівня глікогену в клітинах крові, nкісткового мозку та печінці.

 

ОБМІН ГЛІКОГЕНУ

Синтез глікогену

Для синтезу nполісахаридних ланцюгів глікогену глюкозо-6-фосфат повинен спочатку nперетворитись у більш реакційноздатну форму – уридиндифосфатглюкозу (УДФ-глюкозу), nяка є безпосереднім донором ­залишків глюкози в процесі синтезу. УДФ-глюкоза nутворюється за дві реакції.

1. Перетворення глюкозо-6-фосфату у nглюкозо-1-фосфат під дією фосфоглюкомутази:

2. Взаємодія глюкозо-1-фосфату з nуридинтрифосфатом (УТФ), що каталізується глюкозо-1-фосфатуридилтрансферазою n(УДФ-глюкозопірофосфорилазою):

Пірофосфат (ФФ_н) відразу ж гідролізується пірофосфатазою nдо двох молекул неорганічного фосфату, тому реакція йде у напрямку незворотного nутворення УДФ-глюкози.

Далі залишок глюкози з УДФ-глюкози переноситься на кінець уже nіснуючої молекули глікогену. Реакцію каталізує глікогенсинтаза, яка відноситься nдо трансфераз, а не до синтетаз. У цій реакції утворюється новий альфа-1,4-глікозидний nзв’язок між першим атомом вуглецю залишку глюкози, який приєднується, і гідроксилом у С-4 кінцевого залишку глюкози nланцюга глікогену:

УДФ-глюкоза n+ (глюкоза)_n  ® УДФ + (глюкоза)_n+1

УДФ, nякий вивільняється, перетворюється знову в УТФ за nрахунок АТФ (УДФ + АТФ ® УТФ + nАДФ). Реакція багаторазово ­повторюється.

При nвідсутності у клітинах молекул глікогену, наприклад, коли внаслідок голодування nзапаси його повністю вичерпані, залишок глюкози із УДФ-глюкози переноситься на nгідроксильну групу специфічного білка з подальшим нарощуванням вуглеводного nланцюга. Тому молекули глікогену містять сліди білка.

Утворення альфа-1,6-глікозидних nзв’язків, які знаходяться у nмісцях розгалуження глікогену, каталізує фермент глікозил-(4®6)-трансфераза (фермент розгалужень). Це відбувається шляхом nвідриву фрагмента із 5–7 залишків глюкози із кінця лінійного ланцюга і nперенесення його на гідроксил 6‑го вуглецю залишку глюкози,  nрозміщеного ближче до внутрішньої частини молекули n(рис. 4).

Після цього глікогенсинтаза приєднує до ланцюгів нові nзалишки глюкози. Точки розгалужень утворюються приблизно через кожні 8–12 залишків вздовж альфа-1,4-ланцюга.

Така сильно розгалужена структура nглікогену має важливе значення. По-перше, вона забезпечує наявність великої nкількості кінців у молекулі, що забезпечує швидке  приєднання чи nзвільнення молекул глюкози. Тому сильно розгалужена структура глікогену nвигідніша, ніж менш розгалужена структура крохмалю.

Рис. 4. Схема дії глікозил-(4→6)-трансферази

 

І, по-друге, nцим досягається компактність, щільність упаковки молекул, які депонуються у nклітинах у вигляді гранул діаметром 20 мкм. Із nгранулами зв’язані ферменти синтезу й розпаду глікогену. Молекулярна маса nмолекул значно коливається (10⁵-10⁸).

Основні запаси глікогену в організмі містяться в скелетних nм’язах і печінці. Вміст у печінці складає 2-8 % маси nоргана і залежить від регулярності харчування і фізичного навантаження. nКонцентрація глікогену в скелетних м’язах, що знаходяться у стані nспокою, – тільки 0,5-1 %, але із-за великої маси м’язів більша частина nглікогену тіла знаходиться в них. У середньому у nдорослої людини після споживання їжі міститься в nпечінці близько 100 г глікогену, а в м’язах (стан спокою) – 400 г. nГлікоген м’язів служить джерелом енергії під час скорочення м’язів, а функція nглікогену печінки – підтримувати постійність концентрації глюкози в крові. Кількісні показники вмісту глікогену в nорганах дорослої людини наведені в таблиці 1.

 

Таблиця 1. Вміст глікогену та глюкози в nорганізмі людини (масою 70 кг, після споживання їжі)

Примітки:  1 – маса печінки – 1,8 кг;

2 – маса м’язів – 35 кг;

3 – загальний об’єм екстрацелюлярної рідини – 10 л.

 

Катаболізм nглікогену

Глікогеноліз. Запасним полісахаридом nв тканинах людини nє глікоген.

Процес розпаду глікогену називається глікогенолізом. Цей процес може здійснюватися або шляхом nгідролізу, або фосфоролізу.

 

 

Фосфороліз є основним шляхом розпаду nглікогену, його каталізує фермент глікогенфосфорилаза, що відноситься до класу трансфераз.

Глікогенфосфорилаза відщеплює залишки глюкози nз нередукуючого кінця глікогену (рис. 5) nі переносить їх nна молекулу фосфорної nкислоти з утворенням глюкозо-1-фосфату:

Глюкозо-1-фосфат швидко ізомеризується, перетворюючись на глюкозо-6-фосфат, який у nпечінці гідролізується фосфатазами до глюкози nі фосфорної кислоти:

 

Процес фосфоролізу глікогену тонко регулюється. nРегуляція активності глікогенфосфорилази носить каскадний характер, в nякому можна виділити кілька видів регуляції ферментативної nактивності:

1) гормональна (глюкагон в nпечінці, адреналін у м’язах);
n2) алостерична;

3) протеїнкіназні реакції (в nданому випадку – фосфорилювання бічного радикалу серину nв глікогенфосфорилазі).

Активність м’язової фосфорилази збільшується при певній концентрації АМФ і ацетилхоліну, nа також у nприсутності катіонів кальцію і nнатрію. Зниження швидкості nфосфоролізу відбувається при зменшенні запасів nглікогену і фосфорної кислоти, nа також при nзбільшенні концентрації глюкозо-6-фосфату. nМеханізми, що знижують швидкість фосфоролізу глікогену, захищають nорганізм від великих витрат nвуглеводних запасів (глікогену), які могли б призвести до нестачі глюкози, необхідної для nроботи головного мозку і серцевого м’яза.

Гідроліз глікогену каталізується ферментами амілазами, які nвідносяться до класу гідролаз. В результаті гідролізу глікоген nрозщеплюється до вільної глюкози:

 

 

Гідролітичний розпад глікогену відбувається, nяк правило, в печінці. nГлюкоза, отримана при фосфоролізі і гідролізі nглікогену, поступає у різні тканини і органи nорганізму, де піддається подальшому розпаду. Таким nчином, глікоген печінки служить джерелом глюкози для всього організму, а nглікоген м’язів, мозку розпадається до глюкозо-6-фосфату, який використовується nу цих тканинах.

Рис. 5. Схема розщеплення глікогену

 

Спадкові порушення обміну глікогену

Відомі спадкові хвороби, пов’язані з дефектом nякогось одного із ферментів обміну глікогену. Їх називають глікогенозами, чи nглікогеновими хворобами. В табл. 2 і на рис. 6 наведені типи nглікогенозів і їх характеристика.

Глікогенози – nспадкові хвороби, молекулярною основою виникнення яких є уроджена недостатність nсинтезу певних ферментів глікогенолізу, пов’язана з дефектами в генетичній nсистемі клітин. При глікогенозах у внутрішніх органах та тканинах (здебільшого nв печінці, м’язах, клітинах крові) спостерігається накопичення аномально nнадмірної кількості глікогену, іноді зі зміненою молекулярною структурою, який nне може використовуватися у метаболічних процесах. Клінічно глікогенози nпроявляються важкою гіпоглюкоземією внаслідок нездатності глікогену печінки nрозщеплюватися з вивільненням молекул глюкози.

Глікогенози, при яких ушкоджені nферментні системи мобілізації глікогену печінки, характеризуються збільшенням nмаси органа, жировою дистрофією гепатоцитів та явищами цирозу. Недостатність ферментних систем nглікогенолізу в м’язах супроводжується судомами за nумов фізичних навантажень.

Таблиця 2. Спадкові порушення обміну глікогену

 

Нестача ферментів розпаду глікогену зумовлює його накопичення nв тканинах. При цьому структура глікогену може бути нормальною nабо, при відсутності альфа‑(1®6)-глюкозидази, аномальною, з дуже короткими боковими nгілками. У хворих спостерігаються характерні для кожного типу клінічні nсимптоми: збільшення печінки (тип І, ІІІ, VI), м’язова слабість (тип V), nзатримка розумового розвитку і корчі внаслідок виражених гіпоглікемій (тип І). Нестача глікозил-(4®6)-трансферази nтакож призводить до аномальної структури глікогену – з довгими nмалорозгалуженими ланцюгами. І хоч при цьому типі глікогенозу (IV) кількість nглікогену може бути зниженою чи нормальною, але внаслідок, вірогідно, реакції nорганізму на саме таку структуру молекул глікогену настають печінкова nнедостатність і смерть у ранньому віці. Рання смерть спостерігається і nпри глікогенозі типу ІІ (хворобі Помпе), коли nвідсутній фермент лізосом альфа-глюкозидаза. В nнормі під дією цього ферменту розпадається тільки 1-3 n% глікогену клітин печінки, м’язів, серця. При відсутності альфа-глюкозидази nглікоген накопичується у вакуолях nцитоплазми клітин.

Рис. n6. nСхема метаболізму глікогену.

Ферменти: n1 – гексокіназа (глюкокіназа);

2 n– фосфоглюкомутаза;

3 n– глюкозо-1-фосфатуридилтранфераза;

4 n– глікогенсинтаза; 5 – глікозил-(4→6)-трансфераза;

6 n– глікогенфосфорилаза; 7 – α-(1→6)-глюкозидаза;

8 n– глюкозо-6-фосфатаза; 9 – α-1,4-глюкозидаза лізосом.

Римськими цифрами вказано типи nглікогенозів.

 

Аглікогенози – nпорушення синтезу глікогену, котрі призводять до зниження його вмісту у nтканинах.

Внаслідок nнедостатності глікогенсинтази гепатоцити не здатні утворювати резерви nглікогену, концентрація якого всередині клітин значно зменшена. Внаслідок nвідсутності глікогенових резервів хворі при аглікогенозах, як і при nглікогенозах, страждають від глибокої гіпоглюкоземії, особливо натщесерце, після значної перерви з часу надходження харчової глюкози. nГіпоглюкоземія при аглікогенозах може супроводжуватися важкою комою внаслідок nенергетичного голодування головного мозку. Такі хворі nзвичайно вмирають у ранньому дитячому віці.

При нестачі глікогенсинтази в печінці значно знижується вміст глікогену, в nпроміжках між споживанням їжі швидко настає зменшення концентрації глюкози в nкрові, а після надходження значної кількості вуглеводів спостерігається тривала nгіперглікемія.

За клінічними nознаками nрозрізняють три основні форми глікогенозів: 1) печінкову; 2) м’язову; 3) nгенералізовану.

Печінкова форма.

Ознаки з’являються на першому році життя, починаючи з 8-9 nмісяця, коли відзначаються рідкі напади гіпоглікемії. Вони характеризуються nтимчасовою втратою свідомості, клонічними судомами кінцівок. Напади починаються nдо їжі або вранці, їх появі можна запобігти прийманням солодкої води. Характерний зовнішній вигляд дітей: nмаленький зріст, великий живіт, худі кінцівки, «лялькове обличчя». Відзначається збільшення печінки. nНайбільш небезпечний вік – перші 4-5 nроків. Інфекційні захворювання ускладнюють перебіг патологічного процесу. З віком стан хворого поліпшується завдяки nрозвитку компенсаторних механізмів обміну. Інтелект, як правило, не порушений. При nгістохімічному дослідженні печінки виявляють сильне розростання nколагенової сполучної тканини, печінкові клітини багаті на глікоген, містять nбагато ліпідів.

М’язова форма.

Симптоми захворювання з’являються з 7-10 років. Хворі стають nмалорухливими, швидко втомлюються при фізичному навантаженні. М’язова слабкість nпрогресує, з’являються болі в працюючих м’язах, nсерцебиття, задуха. Усі ці симптоми розвиваються до 25-35 років. Зовнішній nвигляд хворих не змінений. Симптомів зміни печінки і нирок немає. При огляді виражена атрофія м’язів та їх гіпотонія. При nгістохімічному дослідженні видно м’язові волокна з дегенерацією, аж до nнекрозу. Вони містять вакуолі, наповнені глікогеном. Прогноз nзахворювання сприятливий, але відомі летальні наслідки в 20-30 років.

Генералізована nформа.

При цій формі nзахворювання практично в усіх органах і тканинах накопичується велика кількість глікогену. Клініка її не схожа на клініку nпечінкової і м’язової форм, вона різноманітна, має nпрогресуючий перебіг.

Біохімічні форми глікогенозів.

1-й тип (хвороба Гірке) викликаний відсутністю активності nспецифічної глюкозо-6-фосфатази в печінці і слизовій кишківника. Успадковується nза аутосомно-рецесивним типом. nПорушується одна з головних функцій печінки – підтримання гомеостазу глюкози nкрові і порушений процес утворення глюкози з амінокислот. Водночас у гепатоцитах знаходять nбагато ліпідів. Клінічна nкартина дуже типова для печінкової форми глікогенової хвороби. nОсобливістю є те, що у дітей 5-7 років бувають геморагічні висипання і nкровотечі, пов’язані з порушенням функції тромбоцитів. Іншою особливістю є підвищення у крові сечової кислоти, симптомокомплекс подагри nрозвивається у більш пізньому віці. Часто відзначається збільшення нирок.

Діагностувати захворювання можна nза допомогою введення мічених атомів глюкози. Остаточний діагноз ставлять за nрезультатами біопсії печінки: наявність у клітинах великої кількості nнормального за структурою глікогену, що є специфічною ознакою цього nзахворювання. Хворим рекомендують уникати вживання продуктів, які містять nсахарозу і лактозу.

2-й тип (хвороба nПомпе) – хвороба має найбільш несприятливий перебіг, при цьому в nусіх органах відсутні лізосомна альфа-глюкозидаза і гамма-амілаза, що nпризводить до накопичення глікогену в усіх тканинах і насамперед інтенсивно nпрацюючих м’язах (серце). Хвороба з’являється на першому році життя у nвигляді симптомокомплексу серцевої недостатності. Відзначається збільшення nсерця, печінки, гіпертрофія м’язів, збільшення язика. Дитина часто збуджена, nале її спонтанні рухи поступово стають обмеженими, сухожилкові рефлекси до n4-5-місячного віку зникають.

Прогноз несприятливий n– дитина гине до кінця 1-го року життя. При nпатологоанатомічному дослідженні зміни виявляють у nвсіх органах і тканинах. Генетично захворювання вважається аутосомно-рецесивним. Частіше хворіють хлопчики. Ефективного лікування не існує. Можлива пренатальна діагностика цього захворювання методом амніоцентезу (дослідження nклітин шкіри плоду). 

3-й тип (хвороба Корі) викликаний відсутністю або зниженням nактивності аміло-1,6-глюкозидази. При ньому страждають печінка, серце і nкісткові м’язи.

Клінічна nкартина відноситься до печінкової форми захворювання і подібна до такої при І типі глікогенозу. Прогноз, як nправило, сприятливий. Захворювання найбільш небезпечне в 4—5 років, коли часті напади гіпоглікемії. У більш зрілому віці симптоми nзахворювання згладжуються. Лікування дає хороші nрезультати при застосуванні багатої на білки дієти з частими прийомами їжі, щоб nутворення глюкози йшло обхідним шляхом за допомогою трансамінування nамінокислот.

 4-й nтип (хвороба Андерсена) викликаний nвідсутністю ферменту амілотрансглюкозидази. Замість глікогену в уражених nорганах синтезується полісахарид, подібний до амілопектину. Хвороба з’являється з першого року життя і подібна за клінікою до nцирозу печінки. Фермент відсутній у печінці, нирках, селезінці, серцевому і nкістковому м’язах. Смерть настає на першому році життя.

5-й тип (хвороба Мак-Ардля) характеризується дефіцитом фосфорилази тільки в м’язах. Захворювання успадковується  за аутосомно-рецесивним типом. Клініка типова для nм’язової форми глікогенозу.

 

Регуляція метаболізму глікогену

 

Глікоген є головною молекулярною формою запасання nвуглеводів в організмі людини і тварин, що акумулюється у вигляді nвнутрішньоклітинних гранул, переважно в печінці та м’язах, під час травлення і nвитрачається в проміжках між прийомами їжі. Концентрація глікогену в гепатоцитах значно перевищує його nконцентрацію в клітинах м’язів, але, враховуючи загальну масу скелетних м’язів, nв останніх зберігається більша частина тотального глікогену організму.

Завдяки наявності глюкозо-6-фосфатази, мобілізація nглікогену печінки призводить до утворення вільної глюкози, що визначає функцію nгепатоцитів у підтриманні рівня глікемії в умовах зменшення або відсутності nабсорбції глюкози з кишечника. Вичерпання резервів глікогену печінки nспостерігається у людини через 12-18 год після прийняття їжі; в цих умовах nрівень глюкози в крові, необхідний для нормального функціонування інших тканин, nнасамперед головного мозку, підтримується за рахунок глюконеогенезу в печінці nта нирках. На відміну від печінки, м’язи використовують глікогеноліз лише nдля покриття власних енергетичних потреб. Значне зменшення концентрації nглікогену м’язів спостерігається лише після тривалої nта виснажливої фізичної роботи.

Виходячи із зазначеного, в організмі повинні nіснувати регуляторні механізми, що контролюють координовані зміни процесів nсинтезу та розпаду глікогену в умовах змін у режимі харчування, переходу nорганізму від стану спокою до активної діяльності.

Ключову роль у nрегуляції реакцій глікогенолізу та глікогенезу відіграють ключові ферменти nрозщеплення та синтезу глікогену глікогенфосфорилаза та глікогенсинтаза.

Глікогенсинтаза nіснує в неактивній фосфорильованій формі й активній нефосфорильованій формі. Навпаки, неактивна форма глікогенфосфорилази (фосфорилаза b) nє нефосфорильованою, а активна форма, фосфорилаза a, фосфорильована (рис. 7).

Кожна із цих форм у свою чергу може перебувати в одній із nдвох конформацій: nкаталітично активній розслабленій R (від англ. relaxed) та каталітично неактивній nнапруженій T (від англ. tense). Для nфосфорилази a рівновага зміщена в сторону переходу в R стан, nтоді як більшість фосфорилази b перебуває у T стані.

Конформаційний nперехід від T до R стану передбачає поворот мономерів на 10° навколо осі симетрії другого nпорядку димеру. nВнаслідок чого відбувається зміна розташування α-спіралей і вихід із активного центру петлі, що закривала його у nT-стані і перешкоджала зв’язуванню субстрату. Окрім того nвідбувається поворот бічного ланцюга залишку аргініну 569 поблизу піридоксаль-5’-фосфату, через що збільшується nспорідненість ферменту до ортофосфату. Перехід між напруженою та розслабленою nформами ферменту регулюється зв’язуванням алостеричних модуляторів, які відрізняються у різних тканинах.

 

Рис. 7. Перехід a та b форм глікогенфосфорилази

між напруженою та розслабленою конформаціями

 

Реакцію nфосфорилювання глікогенсинтази каталізує цАМФ-залежна протеїнкіназа, а nфосфорилази – цАМФ-залежна кіназа фосфорилази b. Під час реакції фосфатна група nпереноситься із АТФ на гідроксильну групу двох залишків серину молекул глікогенсинтази nі фосфорилази b. Ферменти фосфопротеїнфосфатази nкаталізують протилежну реакцію – відщеплюють фосфатні групи шляхом гідролізу, nтобто переводять глікогенсинтазу і фосфорилазу в дефосфорильовану форму (рис. n8).

Підкреслимо,  nщо фосфорилювання зумовлює активацію фосфорилази й інактивацію глікогенсинтази, nа дефосфорилювання – протилежні ефекти. Таким nчином, якщо стимулюється синтез глікогену, то одночасно гальмується його nрозпад, і навпаки. Активність кіназ і фосфатаз, а nзначить, синтез і розпад глікогену, знаходяться під гормональним контролем. nСинтез глікогену стимулює інсулін, а розпад – адреналін і глюкагон. Дія nадреналіну і глюкагону опосередковується через вторинний посередник – цАМФ.

 

Рис. 8. Регуляція активності глікогенсинтази nі глікогенфосфорилази

шляхом ферментативного фосфорилювання і nдефосфорилювання.

 

Зв’язування їх nзі своїми рецепторами, локалізованими у клітинній мембрані, зумовлює активацію аденілатциклази, nяка каталізує синтез цАМФ із АТФ (рис. 9). цАМФ активує протеїнкіназу.

Неактивна протеїнкіназа складається із nдвох каталітичних і двох регуляторних субодиниць. При підвищенні концентрації у nклітині цАМФ він зв’язується з регуляторними субодиницями, що викликає розпад nтетрамерної форми протеїнкінази. Звільнені каталітичні субодиниці протеїнкінази nкаталізують реакцію фосфорилювання кінази фосфорилази, що переводить її в nактивну форму і таким чином зумовлює утворення фосфорилази a. Одночасно каталітичні субодиниці протеїнкінази каталізують фосфорилювання nглікогенсинтази, тим самим перетворюючи її в неактивну форму.

http://www.youtube.com/watch?v=oBL0OC3IavI

Рис. n9. Каскадний nмеханізм дії гормонів:

R₁ – рецептор адреналіну, R₂ – рецептор глюкагону.

 

Багатостадійність передачі сигналу від nгормону до фосфорилази, яка безпосередньо каталізує розпад глікогену, має nважливе значення, оскільки в такому каскадному процесі досягається сильне і nшвидке підсилення сигналу. Так, зв’язування декількох молекул адреналіну ­зумовлює nсинтез більшої кількості молекул цАМФ, а далі кожна молекула ферменту активує nвелику кількість молекул наступного ферменту (протеїнкіназа  –  nкіназа фосфорилази – фосфорилаза). Активність фосфорилази досягає ­максимуму nвже через декілька хвилин після зв’язування адреналіну клітинами печінки, а nпідсилення сигналу складає близько 25 млн раз (декілька молекул гормону nвикликають надходження із печінки в кров декількох грам глюкози).

Послідовність реакцій, що призводить до nінактивації глікогенсинтази, має на одну стадію менше, ніж послідовність nактивації фосфорилази (рис. 9). Тому підсилення гормонального сигналу nбільше у системі розпаду глікогену. Максимальна швидкість синтезу глікогену nм’язів не перевищує 0,3 % максимальної швидкості глікогенолізу.

При припиненні секреції адреналіну чи глюкагону nаденілатциклаза переходить в неактивний стан. Наявний цАМФ розпадається під дією фосфодіестерази до АМФ, і в результаті утворюється nтетрамерна неактивна форма протеїнкінази. Фосфатази каталізують дефосфорилювання nкінази фосфорилази, фосфорилази а і глікогенсинтази. nТаким чином, виключається розпад глікогену і стає можливим його синтез.

Адреналін стимулює розпад і гальмує nсинтез глікогену в печінці, скелетних м’язах, міокарді. Секреція його у nстресових ситуаціях зумовлює вивільнення глюкози із печінки в кров для nпостачання інших органів, а в м’язах – розпад глікогену до молочної кислоти з nвиділенням енергії, що забезпечує швидке зростання м’язової активності. Глюкагон стимулює розпад глікогену печінки, але не впливає на nглікоген м’язів. Секретується підшлунковою залозою при nзниженні концентрації глюкози в крові.

Гормон nпідшлункової залози інсулін стимулює надходження глюкози в клітини і синтез nглікогену. Механізми його дії ще до кінця не з’ясовані. Одним із них є nактивація інсуліном фосфодіестерази цАМФ, що приводить до зниження nвнутрішньоклітинного рівня цАМФ, у результаті стимулюється утворення неактивної nфосфорилази й активної глікогенсинтази. У гепатоцитах інсулін підвищує nактивність глюкокінази.

Існує ряд додаткових способів регуляції nактивності ферментів розпаду і синтезу глікогену:

1. Неактивна фосфорилаза b м’язів може активуватись без фосфорилювання, тобто не перетворюючись у nфосфорилазу а. Це здійснюється шляхом зв’язування в алостеричному центрі фосфорилази nb АМФ. Алостеричній активації фосфорилази b із АМФ перешкоджає АТФ. У стані nм’язового спокою, коли концентрація АТФ значно більша, ніж АМФ, фосфорилаза nзнаходиться в неактивній b-формі. Під час роботи м’язів nконцентрація АТФ знижується, а зростає концентрація АМФ, що зумовлює активацію nфосфорилази b і, в результаті, розщеплення глікогену nдля синтезу АТФ. Але швидке і значне збільшення швидкості глікогенолізу в nм’язах відбувається тільки у результаті перетворення фосфорилази b у фосфорилазу а.

2.   Кіназа фосфорилази м’язів nтакож може переходити в активну форму без фосфорилювання. Активатором служать nіони кальцію, концентрація яких в саркоплазмі різко зростає у відповідь на nнервовий імпульс, який зумовлює скорочення м’язів.

3. Неактивна фосфорильована форма nглікогенсинтази активується алостерично глюкозо-6-фосфатом. При наявності nдостатньо високої концентрації глюкозо-6-фосфату фосфорильований фермент nпроявляє майже таку активність, як дефосфорильований.

4. Провідну роль у регуляції метаболізму nглікогену в печінці відіграє концентрація глюкози. Її високий вміст викликає nперехід фосфорилази а у фосфорилазу b й утворення активної глікогенсинтази, nщо приводить до зупинки розпаду глікогену і стимуляції його синтезу. При nзниженні концентрації глюкози синтез глікогену пригнічується і починається його nрозпад.

 

ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ

Головном джерелом глюкози як метаболічного палива для організму людини є її nнадходження з харчовими продуктами у вигляді полісахариду крохмалю та сахарози. nНадлишок глюкози, шо не використовується в окислювальних реакціях аеробного та nанаеробного гліколізу, відкладається у вигляді енергетичних депо – глікогену та nтриацилгліцеролів. Втім, існують метаболічні шляхи, що nзабезпечують організм глюкозою за рахунок її синтезу з невуглеводних nбіомолекул.

Глюконеогенез – це nпроцес синтезу глюкози з невуглеводних субстратів. Такими попередниками глюкози nє лактат, піруват, більшість амі­нокислот, гліцерин, nпроміжні продукти циклу лимонної кислоти.

Відбувається глюконеогенез у печінці й, невеликою nмірою, в кірковій речовині нирок. Завдяки цьому процесу підтримується nконцентрація глюкози в крові після того, як вичерпаються запаси глікогену при nвуглеводному чи повному голодуванні. Надзвичайно важливе значення nглюконеогенезу для організму тварин і людини зумовлюється тим, що мозок має nдуже малі запаси глікогену і глюкоза крові служить основним джерелом енергії nдля нього. При зменшенні концентрації глюкози в крові нижче певної критичної межі порушується функціонування мозку і може настати смерть. nМеханізм глюконеогенезу також забезпечує видалення з крові таких продуктів nтканинного метаболізму, як лактат і гліцерин.

Процес зворотний до гліколізу, але три реакції гліколізу є nфактично незворотними, тому глюконеогенез включає 7 гліколітичних реакцій, які nмають зворотний напрямок, і три обхідні стадії (рис. 10). n

Обхідні реакції каталізуються іншими ферментами і є також nнезворотними, але вони йдуть у напрямку синтезу nглюкози.

Перша незворотна стадія – перетворення пірувату nу фосфоенол­піруват, сполуку з макроергічним зв’язком. Здійснюється воно через nпроміжну речовину – оксалоацетат. Спочатку мітохондріальний фермент піруваткарбоксилаза каталізує АТФ-залежне карбоксилювання nпірувату:

Алостеричним активатором піруваткарбоксилази nслужить ацетил-КоА. Як розглянуто раніше, піруваткарбоксилазна nреакція також постачає оксалоацетат для циклу лимонної кислоти.

Рис. n10. Глюконеогенез nі гліколіз:

ГА-3-Ф n– гліцеральдегід-3-фосфат;

ДОАФ n– діоксіацетонфосфат.

У nглюконеогенезі оксалоацетат під дією фосфоенолпіруват-карбо­ксикінази nперетворюється у фосфоенолпіруват:

Одночасно відбуваються декарбоксилювання nі фосфорилювання. ГТФ, який використовується в цій реакції, регенерується шляхом nвзаємодії ГДФ з АТФ. Таким чином, на nперетворення пірувату у фосфоенолпіруват витрачаються n2 молекули АТФ, тоді як у процесі гліколізу при перетворенні фосфоенолпірувату nв піруват синтезується тільки 1 молекула АТФ. Труднощі викликає різна локалізація ферментів у клітині. nФосфоенолпіруват-карбоксикіназа знаходиться в цитоплазмі, а оксалоацетат, який nутворюється в мітохондріях, не проникає через мітохондріальну мембрану. Тому nоксалоацетат відновлюється в матриксі мітохондрій під дією nферменту циклу Кребса малатдегідрогенази до малату, який може виходити з nмітохондрій. Цитоплазматична малатдегідрогеназа окиснює малат назад в nоксалоацетат.

Утворений фосфоенолпіруват далі переходить за допомогою nзворотних реакцій гліколізу у фруктозо-1,6-дифосфат. На етап перетворення n3-фосфогліцерату в 1,3-дифосфогліцерат затрачається одна молекула АТФ.

Фосфофруктокіназна реакція гліколізу nфруктозо-6-фосфат – фруктозо-1,6-дифосфат незворотна, тому інший фермент n(фруктозо-­дифосфатаза) каталізує гідроліз фруктозо-1,6-дифосфату до nфруктозо-6-фосфату:

Вивільняється nнеорганічний фосфат, а енергія макроергічного фосфодіефірного зв’язку nвиділяється у вигляді тепла.

У наступній зворотній реакції nфруктозо-6-фосфат перетворюється в глюкозо-6-фосфат, який в обхідній реакції nпід дією глюкозо-6-фосфатази гідролізується до вільної nглюкози: 

Крім того, nглюкозо-6-фосфат може використовуватись для синтезу глікогену. Враховуючи nнеобхідність двох молекул пірувату для утворення nмолекули глюкози, сумарне рівняння глюконеогенезу записується так:

Таким чином, на синтез глюкози з пірувату nзатрачається значно більше енергії, ніж її утворюється під час гліколізу (шість nмолекул АТФ проти двох).

Для синтезу глюкози шляхом глюконеогенезу використовуються nпроміжні продукти циклу лимонної кислоти, які перетворюються в циклі в nоксалоацетат. Фактичними субстратами є амінокислоти, які після nвтрати аміногруп стають проміжними продуктами циклу Кребса та піруватом. Такі nамінокислоти називаються глюкогенними. Глюконеогенез з амінокислот інтенсивно nвідбувається при голодуванні та цукровому діабеті. Крім nтого, в цих умовах розпадаються жири жирової тканини, причому жирні кислоти nзастосовуються як джерело енергії в м’язах, печінці й інших тканинах, а nгліцерин у печінці шляхом глюконеогенезу переходить у глюкозу.

Іншим важливим субстратом глюконеогенезу є молочна кислота, nяка накопичується в організмі під час інтенсивної nм’язової роботи внаслідок анаеробного розпаду глікогену. У період відновлення nпісля напруженої роботи молочна кислота переноситься кров’ю з м’язів до nпечінки, де під дією лактатдегідрогенази окиснюється nдо пірувату. Частина останнього використовується для глюконеогенезу, а частина nрозпадається аеробним шляхом, забезпечуючи процес глюконеогенезу АТФ. Глюкоза nпотрапляє назад у скелетні м’язи і застосовується для відновлення запасу nглікогену. Поєднання процесу анаеробного гліколізу в скелетних м’язах і nглюконеогенезу в печінці називається циклом Корі й зображене на рис. 11. 

Молочна кислота утворюється постійно в еритроцитах, мозковій nчастині нирок, сітківці ока, а в печінці й корі нирок переходить у глюкозу, яка nповинна знову надходити в названі клітини і nвикористовуватись. Молочна кислота утворюється постійно в еритроцитах, мозковій nчастині нирок, сітківці ока, а в печінці й корі нирок переходить у глюкозу, яка nповинна знову надходити в названі клітини і nвикористовуватись.

 

Рис. n11. Взаємозв’язок nгліколізу і глюконеогенезу (цикл Корі)

 

Таким чином, ця кислота, на відміну від глюкогенних амінокислот, не служить попередником nдля глюкози крові, що могла б використовуватись у мозку і нервах при nголодуванні.

http://www.youtube.com/watch?v=qF3ylhC0VeQ

 

Регуляція глюконеогенезу

У клітинах печінки здійснюється nкоординована регуляція гліколізу і глюконеогенезу відповідно до фізіологічних nпотреб усього організму. Система контролю nвключає субстрати і проміжні продукти процесів, регуляторні ферменти та їх nефектори, гормони. Підкреслимо, що регуляторними nферментами глюконеогенезу і гліколізу є ті, що каталізують незворотні реакції і nне беруть участі у протилежному процесі. ­Наприклад, піруваткарбоксилаза n(активатор – ацетил-КоА) і фруктозодифосфатаза – (активатор – цитрат, nінгібітори – АМФ і фруктозо-2,6-дифосфат). На рис. 12 nпоказані регуляторні пункти гліколізу і глюконеогенезу та контрольні чинники.

 

Рис. 12. Регуляція гліколізу і nглюконеогенезу в печінці

Деякі ефектори одночасно впливають на активність регуляторних nферментів в обох процесах. Так, ацетил-КоА служить nактиватором піруваткарбоксилази і інгібітором nпіруваткінази. Крім того, ацетил-КоА є інгібітором nпіруватдегідрогеназного комплексу і, сповільнюючи розпад пірувату до nацетил-КоА, сприяє переходу пірувату в глюкозу. АМФ інгібує nфруктозо-дифосфатазу і разом з тим активує відповідний фермент гліколізу – nфосфофруктокіназу. Навпаки, цитрат – активатор фосфатази й інгібітор кінази.

Глюконеогенез стимулюється не тільки активаторами піруваткарбоксилази і фруктозодифосфатази, а й інгібіторами nрегуляторних ферментів гліколізу (АТФ, аланін, жирні кислоти). Таким чином, nколи в клітині є достатня концентрація палива для циклу лимонної кислоти n(ацетил-КоА, оксалоацетату, цитрату, жирних кислот, аланіну) чи висока nконцентрація АТФ і низькі –АДФ та АМФ, посилюється nбіосинтез глюкози і гальмується гліколіз. У протилежній ситуації стимулюється nгліколіз і гальмується глюконеогенез.

На глюконеогенез впливають такі гормони, nяк глюкагон й інсулін підшлункової залози та глюкокортикоїди кори nнадниркових залоз. При голодуванні nглюкагон посилює розпад жирів у жировій тканині. nЖирні кислоти надходять у печінку, де розпадаються до ацетил-КоА. nШвидкість окиснення ацетил-КоА в циклі лимонної кислоти відстає nвід швидкості його утворення, і підвищений рівень nацетил-КоА в клітині активує піруваткарбоксилазу. В результаті nпосилюється глюконеогенез.

http://www.youtube.com/watch?v=6fmYLF-uiNI

Глюкагон започатковує глюконеогенез ще одним способом – через nфруктозо-2,6-дифосфат. Цей регуляторний компонент відкритий у 1980 р. nУтворюється фруктозо-2,6-дифосфат із фруктозо-6-фосфату при дії nфосфофруктокінази ІІ, а розщеплюється фруктозо-2,6-дифосфатазою:

Фруктозо-2,6-дифосфат активує фермент nгліколізу фосфофрукто­кіназу і гальмує активність ферменту глюконеогенезу nфруктозо-1,6-дифосфатази. Утворення фруктозо-2,6-дифосфату пригнічується nглюкагоном, який шляхом цАМФ-залежного фосфорилювання інактивує фосфо­фруктокіназу nІІ й активує фруктозо-2,6-дифосфатазу. Таким чином, при голодуванні nглюкагон знижує внутрішньоклітинну концентрацію фруктозо-2,6-дифосфату, що nвикликає стимуляцію глюконеогенезу і гальмування гліколізу. Підвищення швидкості nглюконеогенезу в печінці призводить до того, що глюкоза надходить у кров і nпотрапляє в інші органи, насамперед у мозок.

Субстратами nглюконеогенезу служать амінокислоти, оскільки під час голодування в крові nнизьке співвідношення інсулін/глюкагон гальмує синтез білків і стимулює їх nкатаболізм, зокрема в м’язах, що забезпечує постачання амінокислот у nпечінку. При тривалому голодуванні зростає секреція корою надниркових залоз nглюкокортикоїдів, які посилюють у печінці синтез ферментів глюконеогенезу (фосфоенолпіруват-карбоксикінази, nглюкозо-6-фосфатази) й амінотрансфераз – ферментів, які каталізують перетворення глюкогенних nамінокислот у піруват і оксалоацетат. У м’язах та інших тканинах nглюкокортикоїди гальмують синтез білків. У результаті стимуляції глюконеогенезу nглюкокортикоїди збільшують концентрацію глюкози в крові й синтез глікогену в nпечінці. Інсулін протидіє стимулюючій дії глюкагону і глюкокортикоїдів на nглюконеогенез.

 

РЕГУЛЯЦІЯ РІВНЯ Глюкози в крові

 

У нормі через декілька годин після nїди концентрація глюкози в крові людини складає 3,33-5,55 ммоль/л. При nспоживанні вуглеводної їжі вона зростає до 8-9 nммоль/л, а через 2 год повертається до норми. Голодування протягом декількох nдіб майже не відбивається на рівні глюкози в крові.

Постійність концентрації глюкози дуже важлива з огляду на високу nвірогідність порушення функцій головного мозку при гіпоглікемії. nЦе зумовлюється рядом обставин:

1) енергетичні потреби головного мозку забезпечуються nтільки глюкозою (лише на пізній стадії голодування – nкетоновими тілами);

2) запаси глікогену в головному nмозку дуже незначні;

3) шляхом глюконеогенезу глюкоза в клітинах мозку не ­син­тезується;

4) глюкоза надходить із крові в клітини головного мозку nшляхом незалежної від інсуліну дифузії за градієнтом концентрації, при nгіпоглікемії надходження стає недостатнім для nнормального функціонування мозку. Швидкий розвиток гіперглікемї також може nзумовити порушення функцій мозку.

Рис. 13. Регуляція рівня глюкози в крові

 

Концентрація глюкози в крові залежить від рівноваги nміж надходженням її в кров і споживанням тканинами. Оскільки виведення глюкози nз організму з сечею в нормі дуже незначне, то підтримка nсталості концентрації у відносно вузьких межах за значних коливань надходження nз їжею забезпечується процесами обміну в тканинах. Система регуляторних nмеханізмів включає гормони інсулін, глюкагон, адреналін, глюкокортикоїди, а nтакож взаємодії між тканинами (печінкою, м’язами, nмозком тощо) (рис. 13, табл. 3).

Після споживання вуглеводної їжі підвищена концентрація глюкози nв крові стимулює поглинання її тканинами. Швидкість надходження в клітини nпечінки, м’язів, мозку й інших тканин прямо пропорційна концентрації глюкози в nпозаклітинній рідині. Крім того, висока концентрація nглюкози в циркулюючій крові стимулює секрецію b-клітинами nпідшлункової залози інсуліну, який підвищує проникність глюкози через клітинні nмембрани скелетних м’язів, жирової тканини.

Таблиця 3. Дія гормонів на обмін вуглеводів і nконцентрацію глюкози в крові

Примітка: n«+» – стимулює , «–» – гальмує.

 

http://www.youtube.com/watch?v=oBL0OC3IavI

У клітинах інсулін стимулює утилізацію глюкози різними nшляхами:

А. У печінці й м’язах синтезується nглікоген (інсулін індукує синтез глюкокінази печінки, активує гексокіназу і nглікогенсинтазу).

Б. У жировій тканині й печінці глюкоза nперетворюється в жирні кислоти, які утворюють тканинні резерви у вигляді nтригліцеридів жирової клітковини.

В. Для всіх органів і тканин у період травлення й абсорбції nкатаболізм глюкози служить основним джерелом енергії. Посилюються гліколіз і nаеробний розпад глюкози до СО₂ і Н₂О. nТак, після прийому їжі наближення дихального nкоефіцієнта до одиниці вказує на більшу інтенсивність окиснення глюкози. nВеличина катаболізму вуглеводів буде залежати від потреби організму в енергії. Крім того, в цей період високе відношення інсулін/глюкагон в nкрові стримує глюконеогенез. У результаті концентрація глюкози в крові nнаближається до норми, опускаючись іноді нижче вихідного рівня. nСекреція інсуліну поступово припиняється.

При припиненні надходження вуглеводів nїжі концентрація глюкози в крові протягом декількох nднів майже не знижується завдяки двом процесам: розпаду глікогену печінки і nглюконеогенезу. Зменшення концентрації глюкози в крові до нижньої межі норми nініціює виділення підшлунковою залозою глюкагону, який nактивує фосфорилазу печінки. Зростають розпад глікогену і вихід глюкози в кров. nРозпад глікогену печінки підтримує нормальний рівень nглюкози в крові не більше 24 год, але вже через 5-6 год після прийому їжі nпочинається повільне підвищення глюконеогенезу із амінокислот і гліцерину, а nчерез 24 год глюконеогенез перебігає з максимальною активністю. Разом із nглюкагоном, який активує ферменти глюконеогенезу, включаються глюкокортикоїди, nякі стимулюють синтез ферментів глюконеогенезу в печінці й посилюють розпад nбілків у інших тканинах, що забезпечує процес глюконео­генезу субстратами. Внаслідок низького відношення в крові nінсулін/глюкагон під час голодування глюкоза не захоплюється печінкою, nскелетними м’язами, міокардом, жировою тканиною. Перераховані nчинники забезпечують в умовах голодування надходження глюкози в головний мозок nу необхідній кількості. При тривалому голодуванні головний мозок, як і інші nтканини, використовує як джерело енергії кетонові тіла.

Крім глюкагону і nглюкокортикоїдів, концентрацію глюкози в крові підвищує ще ряд гормонів. nАдреналін – гормон мозкової частини надниркових залоз – виділяється в стресових nситуаціях і через каскадний механізм викликає швидкий і сильний розпад nглікогену печінки до вільної глюкози. Підвищенням nрівня глюкози в крові супроводжується дія гормону росту, адренокортикотропіну, nтироксину. Таким чином, концентрацію глюкози в крові знижує тільки інсулін, а підвищує ряд гормонів. Існування групи надійних дублюючих nмеханізмів підкреслює той факт, що най­ближчі результати гіпоглікемії nнебезпечніші, ніж наслідки гіперглікемії.

Узгоджена дія різних гормонів nзумовлює досконалість регуляції ­гомеостазу глюкози, забезпечує пристосування nобміну вуглеводів у ­всьому організмі до змін харчування, фізичної активності й nінших фізіологічних умов.

http://www.youtube.com/watch?v=VLiTbb6MaEU&NR=1

http://www.youtube.com/watch?v=nBJN7DH83HA&feature=related

Підвищена концентрація глюкози в крові nвнаслідок споживання вуглеводної їжі (аліментарна гіперглікемія) і внаслідок nстресу (емоційна гіперглікемія) швидко знижується до норми. Стійка гіперглікемія nможе розвинутись при цукровому діабеті, який виникає в результаті абсолютної чи nвідносної недостатності інсуліну. Інші причини гіперглікемії – надлишкова nсекреція гормону росту, глюкокортикоїдів, іноді ураження ЦНС, порушення nмозкового кровообігу, захворювання печінки, підшлункової залози.

Гіперглікемію при цукровому діабеті можна розглядати як nкорисне пристосування, яке сприяє використанню глюкози клітинами мозку, nміокарда, еритроцитами, тобто інсулінонезалежними тканинами. Однак у скелетні nм’язи, печінку та інші інсулінозалежні тканини глюкоза не надходить. При високій nконцентрації глюкози в крові підвищується швидкість nзв’язування її з білками (глікозилювання білків), що зумовлює порушення їх nфункцій, тому тривала гіперглікемія викликає ряд віддалених ускладнень nцукрового діабету.

http://www.youtube.com/watch?v=ZsTSoLhl3Y4&feature=related

 

ГЛЮКОЗУРІЇ

Глюкозурії можуть бути наслідками гіперглікемії. Крім того, nзустрічаються ниркові глюкозурії – первинні та вто­ринні.

При цукровому діабеті порушується обмін речовин, переважно з порушенням nобміну вуглеводів. В основі лежить інсулінова недостатність, як абсолютна, так nі відносна. Це веде до накопичення глюкози в крові – гіперглікемії, nа при перевищенні ниркового порога – й до глюкозурії.

Причини глюкозурій:

Серед nпричин, які призводять до появи цукру в сечі, необхідно відзначити:

1) гіперглікемії, вміст яких перевищує нирковий nпоріг;

2) захворювання нирок, що зв’язані з порушенням nреабсорбції глюкози у ниркових канальцях;

3) появу в крові незвичайного цукру з низьким nнирковим кліренсом.

Нирковий поріг – величина nіндивідуальна, у дітей вона коливається в межах 190-230 мг%, у дорослих – 8-10 nммоль/л(150-180 мг%). Нирковий поріг і зв’язана з ним глюкозурія nзмінюються при деяких впливах.

При захворюваннях нирок типу гострих нефритів, ураженні тубулярного nапарата, отруєнні флоридзином, жовтяниці та інших захворюваннях нирковий поріг nзнижується. При хронічних ниркових захворюваннях, діабеті, введенні пітуїтрину, nпаратгормона, адреналіну він підвищується.

Види глюкозурій:

Розрізняють три види глюкозурій:

1) зв’язані з інсулярним апаратом підшлункової nзалози (панкреатогенні);

2) неінсулярні, позапанкреатичні (екстраінсулярні);

3) зв’язані із захворюванням нирок (ренальні).

Панкреатичні глюкозурії:

Панкреатичні (інсулярні) глюкозурії зумовлюються nпорушенням функції інсулярного апарата підшлункової залози з недостатнім nутворенням інсуліну.

При цукровому діабеті у зв’язку з недостатністю nінсуліну порушується утворення глікогену з глюкози, що призводить до nгіперглікемії і глюкозурії (при перевищенні ниркового порогу).

Позапанкреатичні глюкозурії:

До позапанкреатичних треба віднести глюкозурії, які nмають місце при ураженні інших залоз внутрішньої секреції, центральної нервової nсистеми, а також аліментарну глюкозурію.

Серед глюкозурій центральнонервового походження nнеобхідно виділити ті, які зв’язані з функціональним збудженням центральної nнервової системи та симпатичного відділу вегетативної нервової системи. Вони, nочевидно, спричиняються рефлекторним посилен­ням розкладу глікогену в печінці.

Токсичні, механічні та інші подразнення центральної nнервової системи також зумовлюють гіперглікемію. Спостерігають гіперглікемію і nглюкозурію при енцефалітах, менінгітах, токсикозах, черепних травмах, пухлинах nголовного мозку, внутрішньочерепних крововиливах, гарячкових станах та деяких nвидах отруєння.

Серед ендокринних глюкозурій треба відзначити nглюкозурії, які зв’язані з гіперфункцією надниркових залоз (мозкової речовини і nменше кори), гіпофіза та щитовидної залози.

Гіперфункція щитовидної залози (тиреотоксикоз) у n25-35% хворих супроводиться глюкозурією. Введення адреналіну спричи­няє nадреналінову глюкозурію; глюкозурія спостерігається також при пухлинах nнадниркових залоз – феохромоцитомі, гіпернефромі.

Пухлини задньої частки гіпофіза, гіперпітуїтризм у n25-40% хворих також супроводяться глюкозурією.

Випадки цукрового діабету, які не піддаються nлікуванню інсуліном, очевидно, зв’язані з ендокринними порушеннями з боку nгіпофіза та інших залоз внутрішньої секреції.

Можлива поява глюкозурії при захворюваннях печінки – печінкові nглюкозурії.  Вони зв’язані з недостатністю nглікогенутворювальної функції печінки. Часто характерною ознакою бронзового nцирозу печінки є глюкозурія.

Значну групу становлять ренальні (ниркові) nглюкозурії, серед яких виділяють первинні і вторинні.

Первинна ренальна глюкозурія, зв’язана з аномаліями nреабсорбції глюкози у ниркових канальцях, називається ренальним  діабетом. nМетаболізм вуглеводів при цьому не порушений, але значно знижений нирковий nпоріг (25—125 мг%).

При ренальному діабеті з сечею постійно виділяється nглюкоза. В той же час рівень цукру в крові залишається в нормі.

Вторинні ренальні глюкозурії зумовлені патологією nнирок. Вони супроводжують нефрити, нефрози, нефросклерози. При цьому в сечі, як nправило, містяться білки, еритроцити, лейкоцити.

 

Методи визначення глюкози в сечі

Якісне   визначення   глюкози   nв   сечі. Якісні реакції грунтуються на редуктивних nвластивостях альдегідної групи глюкози. Як окиснювач беруть речовини, які, nвідновлюючись, утворюють забарвлені розчини. Це реакції Фелінга, Тромера.

Уніфікований nметод  визначення   глюкози   в  nсечі  за  допомогою  індикаторних   смужок   n«ГЛЮКОТЕСТ».

Принцип  методу. Метод грунтується на специфічному nокисненні глюкози ферментом глюкозооксидазою до глюконової кислоти і пероксиду nводню при наявності молекулярного кисню. Зміна кольору nбарвника під впливом пероксидазу свідчить про nнаявність глюкози в сечі.

Реактивний папірець «Глюкотест» – це смужка паперу 5х0,5 см, який має поперечну nсмужку світло-жовтого кольору, насичену розчином nферментів (глюкозооксидазою, пероксидазою), ортолідином, цитратним буфером, nжелатиною та жовтим барвником аураміном. Аурамін змінює своє забарвлення від nжовтого до темно-синього при наявності в сечі глюкози більше 2 %. За допомогою «Глюкотесту» можна nвиявити глюкозу в сечі і визначити її концентрацію (рис. 14). Цей метод має високу субстратну nспецифічність і дозволяє виявити в сечі концентрацію nглюкози від 0,03 % до 0,5 % та вище.

Рис. 14. Тест-смужки «Глюкотест»

 

Смужку n«Глюкотесту» занурюють у свіжозібрану nдосліджувану сечу. Після цього швидко її виймають і на n2 хв залишають на пластмасовій пластинці. Потім порівнюють змінене nзабарвлення кольорової смужки на папері з кольоровою шкалою, яка є в комплекті. nВміст глюкози в сечі визначають за найбільшим співпаданням кольору, що є на nшкалі смужки. Якщо глюкоза в сечі відсутня, колір nсмужки не змінюється.

Кількісне nвизначення вмісту глюкози в сечі за методом nАльтгаузена.

Принцип  методу. Метод грунтується на тому, що сеча, nяка містить цукор, при кип’ятінні з лугом набуває різних nвідтінків коричневого кольору (від жовтого до темно-бурого). Продуктами реакції nє молочна кислота та гумінові речовини.

При наявності цукру в сечі у пробірці утворюється один з nвідтінків стандартної шкали Альтгаузена.

Клініко-діагностичне значення. Якісне та кількісне визначення цукру в сечі має велике діагностичне та прогностичне значення. nГлюкозурія може зустрічатися при цукровому діабеті, гострих запальних процесах підшлункової залози, гіпертиреозі, акромегалії,  nсиндромі Іценко-Кушинга, захворюваннях печінки, внаслідок порушення синтезу nглікогену, запальних процесах нирок, вагітності, надмірному вживанні вуглеводів nз їжею.

 

ЦУКРОВИЙ ДІАБЕТ

 

Цукровий діабет – ендокринна хвороба, що характеризується генетично детермінованим nабсолютним або відносним дефіцитом гормону підшлункової залози інсуліну. В nоснові розвитку цукрового діабету лежить зниження продукції інсуліну в α-клітинах острівкового (інсулярного) апарату підшлункової залози або nнездатність відповідних клітинних рецепторів реагувати на інсулін.

Відповідно до зазначеного nрозрізняють:

– інсулінозалежний цукровий nдіабет (ІЗЦД), який розвивається внаслідок руйнування значної кількості n(звичайно більше 90 %) секретуючих інсулін α‑клітин. Причиною деструкції α-клітин є nгенетично зумовлений автоімунний процес. ІЗЦД складає 10-15 % всіх випадків nцукрового діабету і проявляється гіперглікемією та схильністю до кетонемії та nкетоацидозу. Ця форма nцукрового діабету розвивається звичайно в ранньому віці (до 30 років), nнайчастіше у дітей та підлітків;

– інсулінонезалежний nцукровий діабет (ІНЗЦД) – форма цукрового діабету, за якого у більшості nхворих зберігаються â-клітини в інсулярній частині підшлункової залози, nале порушені специфічні реакції клітин на дію інсуліну або регуляція його nсекреції під впливом збільшеної концентрації глюкози крові. ІНЗЦД розвивається nзвичайно у дорослих (старше 30 років) та осіб похилоговіку і проявляється nгіперглікемією та ожирінням.

При діагностиці цукрового діабету кров для аналізу краще nбрати після голодування протягом хоча б 10 год. nКонцентрація глюкози в плазмі крові, взятої натщесерце, вища за 8 ммоль/л, свідчить про вірогідність цукрового діабету. З nметою оцінки рівня глюкози в крові використовують глюкометри – nіндивідуальні прилади для визначення рівня цукру у крові  в амбулаторних nумовах (рис. 15). nГлюкометри випускають різноманітні nфірми, проте їх принцип дії  однаковий.

Рис. 15. Визначення рівня цукру в крові за допомогою nглюкометра у хворих на цукровий діабет

 

За допомогою одноразових голочок пацієнт проколює собі nпалець, краплю крові поміщає на тест-смужку, чекає кілька секунд і поміщає її у nглюкометр, незабаром на екрані висвітлюються nпоказники глікемії. Глюкометр незамінний для людей, які страждають на цукровий nдіабет, яким необхідно регулярно проводити діагностичні дослідження і, nзвичайно, робити це вдома набагато комфортніше, ніж стояти в чергах у nполіклініці, щоб один раз на тиждень вимірювати рівень цукру в крові. Завдяки nглюкометру можна дізнатися, як змінюється рівень цукру nпротягом всього дня і за різних обставин.

Якщо концентрація глюкози знаходиться в межах 6‑8 ммоль/л, nто досліджують кров після цукрового навантаження n(дають випити 75 г глюкози, розчиненої у воді). Концентрація через 2 год після навантаження 10 ммоль/л і вище вказує на цукровий nдіабет, а концентрація від 8 до 10 ммоль/л – на знижену толерантність nдо глюкози. У частини осіб із порушеною толерантністю nдо глюкози можливий розвиток діабету.

 

Клінічні ознаки діабету

 

У клінічній картині діабету прийнято розрізняти дві групи nсимптомів: nосновні та другорядні (рис. 16).

До основних симптомів належать:

1.     nПоліурія – посилене виділення сечі, внаслідок nпідвищеного осмотичного тиску сечі за рахунок nрозчиненої в ній глюкози (в нормі глюкоза в сечі відсутня). Проявляється nчастим рясним сечовипусканням, в тому числі і в нічний час.

2.     nПолідипсія (постійна невгамовна жага) – nобумовлена значними втратами води із сечею та підвищенням nосмотичного тиску крові.

3.     nПоліфагія – постійний невгамовний голод. Цей nсимптом викликаний порушенням обміну речовин при діабеті, а саме нездатністю nклітин поглинати і переробляти глюкозу за відсутності nінсуліну.

4.     nСхуднення (особливо характерно для діабету першого типу) – nчастий симптом діабету, який розвивається незважаючи на підвищений nапетит хворих. Схуднення (і навіть виснаження) обумовлено підвищеним nкатаболізмом білків та жирів через виключенням nглюкози з енергетичного обміну клітин.

Рис. 16. Деякі симптоми цукрового діабету

Основні nсимптоми найхарактерніші для діабету 1-го типу. Вони nрозвиваються гостро. Пацієнти, як правило, можуть точно назвати дату або період nїх появи.

До вторинних симптомів відносяться nмалоспецифічні клінічні ознаки, що розвиваються повільно впродовж тривалого nчасу. Ці симптоми характерні для діабету як 1-го, так nі 2-го типу:

·            nсвербіж шкіри та слизових оболонок (вагінальний свербіж),

·            nсухість у роті,

·            nзагальна м’язова nслабкість,

·            nголовний біль,

·            nзапальні ураження шкіри, nщо важко піддаються лікуванню,

·            nпорушення зору,

·            nнаявність ацетону в сечі при nдіабеті 1-го типу.

 

Критерії діагностики цукрового діабету

Глікемія натще – рівень глюкози в крові зранку перед сніданком, після nпопереднього голодування більше 8 годин.

ГТТ (глюкозотолерантний тест) nздійснюється для діагностики ранніх стадій цукрового діабету типу 2, порушення nтолерантності до глюкози, асимптоматичних порушень вуглеводного обміну. При nцьому глікемія визначається до і через 2 години після перорального навантаження nглюкозою (для дорослих – 75 г глюкози, розчиненої в 300 мл води; для дітей – n1,75 глюкози на 1 кг маси тіла, але не більше 75 г; випити впродовж 3-5 nхвилин).

Критерії nоцінки цукрової кривої в нормі: максимальний рівень nцукру через 30-60 хв не повинен перевищувати вихідний більше ніж на 50-80 %, nчерез 120 хв рівень цукру має зменшитись до вихідного, чи навіть нижче (рис. 17), ніколи не буває глюкозурії.

З епідеміологічною метою чи для скринінгу достатньо одного визначення рівня nглюкози натще або через 2 год після цукрового навантаження при ГТТ. Діагноз nцукрового діабету завжди повинен бути підтверджений повторним тестуванням в nподальші дні, в умовах клінічної лабораторії, за винятком безсумнівної nгіперглікемії з вираженою декомпенсацією вуглеводного обміну або наявністю nклінічних симптомів.

 Норма (за рівнем глюкози капілярної крові):

 натще –  від 3,3 до5,5 ммоль/л;

 через 2 години після ГТТ – менше 7,8 ммоль/л.

 Порушена глікемія натще: 

натще – від 5,6 до 6, 1 ммоль/л;

 через 2 години після ГТТ – менше 7,8 ммоль/л.

 Порушена толерантність до глюкози:

 натще – менше 6,1 ммоль/л;

 через 2 години після ГТТ – 7,8 – 11,1 ммоль/л.

 Цукровий діабет:

 натще – більше 6,1 ммоль/л;

 через 2 години після ГТТ – більше 11,1 ммоль/л.

 

Рис. 17. Типи цукрових кривих:

А – цукровий діабет; В – гіпертиреоз; С – норма;

D – хвороба Аддісона або nгіпотиреоз, або гіперінсулінемія.

 

Клініко-діагностичне значення. Метод nцукрового навантаження дозволяє виявити приховані форми діабету, порушення nглікогенутворюючої функції печінки та вплив інсуліну на вуглеводний обмін. При nцукровому діабеті, акромегалії, гіпертиреозі, гепатиті, цирозі печінки nспостерігають різке збільшення цукру в крові (до 22 ммоль/л) і nсповільнене його зниження.

Крім зазначеного методу з одноразовим введенням nпацієнту глюкози, икористовують також «подвійні цукрові навантаження» (проба nШтауба-Трауготта).

http://www.youtube.com/watch?NR=1&v=iz8dlE4PjIQ

У хворих на цукровий діабет глюкоза може виділятись із сечею, зокрема після nспоживання їжі, при тяжких формах хвороби і під час голодування. Саме nглюкозурія послужила основою для назви захворювання.

У сечі здорових людей концентрація nглюкози дуже низька, менша 0,8 ммоль/л (150 мг/л), оскільки клітини nпроксимальних відділів ниркових канальців майже повністю реабсорбують глюкозу з nпервинної сечі. Такий низький рівень глюкози в сечі виявляється лише високочутливими nметодами. Коли концентрація глюкози в плазмі крові й клубочковому фільтраті перевищує 10 ммоль/л, nреабсорбційна здатність ниркових канальців стає недостатньою і певна кількість nглюкози виділяється із сечею. Гіперглікемічна глюкозурія спостерігається не nтільки при цукровому діабеті, а й при всіх захворюваннях, які супроводжуються рівнем гіперглікемії, вищим за нирковий поріг. Але в ряді nвипадків глюкозурія не розвивається, хоч вміст глюкози в плазмі крові перевищує nнирковий поріг. Це спостерігається тоді, коли об’єм nклубочкового фільтрату малий, загальна кількість глюкози, що надходить у nниркові канальці, низька і повністю реабсорбується.

Глюкозурія може бути і за нормальної чи дещо підвищеної концентрації глюкози в плазмі крові, якщо виникає nдефект мембрано­транспортного механізму в канальцях (ниркова глюкозурія). У nданому випадку нирковий поріг знижений. Ниркова nглюкозурія спостерігається іноді при вагітності, nспадковій недостатності проксимальних відділів ниркових канальців, дії на nклітини проксимальних канальців токсичних речовин (важких металів, органічних nрозчинників тощо)

Гіпоглікемія виникає при таких патологічних станах:

1) надмірно високому вмісті інсуліну nвнаслідок пухлин чи гіперплазії клітин острівців підшлункової залози;

2) гіпофункції надниркових залоз;

3) гіпофункції гіпофіза;

4) багатьох типах злоякісних пухлин, локалізованих поза підшлунковою залозою;

5) тяжких ураженнях печінки, nнервової системи, шлунка і кишечника;

6) у ранньому дитячому віці при спадкових порушеннях обміну nвуглеводів – галактоземії, непереносимості фруктози, деяких типах глікогенозів.

Крім того, nгіпоглікемію можуть спричиняти деякі ліки, споживання значної кількості nалкоголю. Найпоширенішими в клінічній практиці є гіпо­глікемії, nвикликані надмірним введенням інсуліну хворим на цукровий діабет, а також nприйомом ряду інших лікарських середників. Гіпоглікемію, зумовлену надмірним nвведенням інсуліну чи високою продукцією ендогенного інсуліну, діагностують nшляхом визначення вмісту інсуліну. Симптоми гіпоглікемії розвиваються, nколи концентрація глюкози в плазмі nкрові стає нижчою 2,5 ммоль/л (45 мг/дл). Спостерігаються запаморочення, корчі nта інші неврологічні порушення аж до гіпоглікемічної nкоми. Прояви посилюються при значному фізичному навантаженні чи при тривалих перервах nміж споживанням їжі.

 

ГЛІКОПРОТЕЇНИ

Глікопротеїни – це складні білки, які містять олігосахаридні ланцюги, ковалентно nприєднані до поліпептиду. Вони поширені в організмі людини і виконують nрізноманітні функції. Зокрема, більшість білків плазматичної мембрани клітин є nглікопротеїнами і беруть участь у процесах біологічного розпізнавання і nміжклітинної взаємодії. Серед позаклітинних білків глікопротеїнами є майже всі nбілки плазми крові, за винятком альбумінів, із різноманітними функціями n(гормони, транспортні білки, ферменти, інгібітори ферментів, фактори згортання nкрові, імуноглобуліни), білки міжклітинного матриксу, муцини шлунково-кишкового nтракту, внутрішній фактор Кастла, який забезпечує перене­сення вітаміну В₁₂ nу клітини кишечника.

Функції вуглеводних nкомпонентів глікопротеїнів

Вуглеводні частини глікопротеїнів виконують nрізні функції:

1. Змінюють такі фізико-хімічні властивості білків, як розчинність і в’язкість nрозчинів, заряд, маса і розміри.

2. У деяких глікопротеїнах вуглеводи необхідні для набуття білком правильної nпросторової структури, стабілізують її.

3. Часто вуглеводна частина захищає білок від протеолізу – розщеплення під nдією протеолітичних ферментів усередині клітин і в позаклітинному просторі. nНаприклад, стійкість внутрішнього фактора Кастла до розщеплення протеїназами nшлунка і кишечника втрачається при видаленні вуглеводної частини.

4. Беруть безпосередню участь у біологічній активності деяких глікопротеїнів, nнаприклад, гіпофізарних гонадотропних гормонів і хоріонічного гонадотропіну.

5.  Є nмаркерами в процесах біологічного розпізнавання на рівнях клітина-клітина, nклітина-вірус, клітина-молекула, органела-молекула, молекула-молекула. В основі nрозпізнавання лежить зв’язування комплементарних ділянок певних білків і nолігосахаридних частин глікопротеїнів чи гліколіпідів. Вуглеводна частина nглікопротеїнів і гліколіпідів плазматичної мембрани знаходиться на зовнішній nповерхні мембрани й утворює рецепторну ділянку, з якою специфічно зв’язуються nпевні білки. Глікопротеїни крові своїми вуглеводними компонентами зв’язуються nіз специфічними білками-рецепторами плазматичних мембран клітин. Із порушеннями nпроцесів біологічного розпізнавання зв’язано багато захворювань. Розглянемо nмаркерну функцію вуглеводів детальніше.

Вуглеводні компоненти глікопротеїнів nповерхні клітин відіграють важливу роль у таких процесах розпізнавання, які nрегулюють ріст і диференціацію клітин, беруть участь у гістогенезі й nорганогенезі, клітин­ному імунітеті, зокрема у відторгненні тканин при nтрансплантації. Пору­шення процесу розпізнавання, зумовлені змінами в структурі nглікопро­теїнів і гліколіпідів, можуть призвести до патологічних явищ, зокрема nдо злоякісного переродження, метастазування ракових клітин. Антигени груп крові nтакож є глікопротеїнами чи гліколіпідами. їх антигенна специфічність nвизначається олігосахаридними структурами.

Вуглеводи мембран разом із білками nутворюють рецепторні ділянки, до яких приєднуються гормони і медіатори, nтоксини, віруси і мікроорганізми, лікарські речовини. Так, вірус грипу nзв’язується із залишками сіалової кислоти рецепторного глікопротеїну на nповерхні клітин. Залишки олігоманози поверхневих глікопротеїнів виконують роль nрецепторів для кишкової палочки і споріднених бактерій. Холерний токсин nвзаємодіє з олігосахаридним компонентом гангліозиду G_ml. Етап nрозпізнавання і зв’язування необхідний для ініціації інфекцій. Олігосахаридні nструктури служать місцем приєднання до макрофагів деяких бактерій і, таким nчином, відіграють важливу роль у фагоцитозі.

Від олігосахаридного ланцюга nглікопротеїнів плазми крові залежить тривалість їх існування в крові, тобто nшвидкість оновлення. Так, ряд глікопротеїнів плазми, серед яких виділяють nцерулоплазмін, містить на кінцях олігосахаридних ланцюгів сіалову кислоту, а nперед нею галактозу. Ці глікопротеїни захоплюються з крові печінкою і nрозщеплюються в гепатоцитах під дією ферментів лізосом. При цьому nбілок-рецептор гепатоцитів розпізнає і зв’язує глікопротеїн, якщо останнім nвуглеводом в олігосахаридному ланцюгу є галактоза, тобто після відщеплення nсіалової кислоти. Тривалість життя в кровоносному руслі церулоплазміну без nсіалової кислоти (асіалоцерулоплазміну) складає декілька хвилин, тоді як nінтактного білка – години. Якщо ж від асіалоглікопротеїну відщепити залишок nгалактози, то час життя його в крові збільшиться. При цирозі печінки чи nгепатиті здатність гепатоцитів захоплювати асіалоглікопротеїни плазми крові nпорушується і концентрація їх у крові зростає.

Деякі рецептори гепатоцитів та клітин nінших органів розпізнають і захоплюють глікопротеїни, які несуть на nолігосахаридному кінці фукозу, манозу, N-ацетилглюкозамін. nПриєднуючи олігосахариди до простих білків чи змінюючи залишки моносахаридів у nглікопротеїнах, можна контролювати час існування білків у системі циркуляції, nнадходження їх у певні органи. Цей принцип використовується в розробці способів nточної доставки ліків до певних органів, ферментної терапії деяких спадкових nхвороб.

Захоплення еритроцитів клітинами nселезінки зростає при відщеп­ленні від олігосахаридних ланцюгів мембрани nеритроцитів кінцевих залишків сіалової кислоти. Можливо, таким способом nселезінка руй­нує старі еритроцити.

Наявність чи відсутність на кінці nолігосахаридних ланцюгів глікопротеїнів певних вуглеводів служить сигналом, nякий визначає, чи новосинте-зований білок виведеться з клітини, чи включиться в nмембрани клітини, чи потрапить в органели. Наприклад для лізосомних ферментів nсигналом, який визначає надходження їх у лізосоми, служить манозо-6-фос-фат. У nхворих на І-клітинну хворобу внаслідок спадкового дефекту ферменту, який nкаталізує утворення манозо-6-фосфату, лізосомні ферменти не потрапляють у nлізосоми, а виводяться з клітини і надходять у кров. У результаті в клітині накопичується nвелика кількість нерозщеплених молекул різних класів.

Структура глікопротеїнів

Вуглеводні компоненти глікопротеїнів nвиконують різноманітні, розглянуті вище, функції завдяки їх структурі, яка несе nвеликий обсяг біологічної інформації. До складу вуглеводної частини nглікопротеїнів може входити до 10 різних моносахаридів: D-галактоза, nD-глюкоза, D-маноза, L‑фукоза, nD-ксилоза, N-ацетилглюкозамін nі N-ацетилгалактозамін, N‑ацетилнейрамінова n(сіалова) кислота (рис. 18). Остання надає молекулам глікопротеїнів негативний nзаряд. Олігосахаридш ланцюги містять від 2-3 до 15-20 моносахаридних nкомпонентів і мають лінійну або, частіше, розга­лужену форму (рис. 19).

Індивідуальність олігосахаридів nвизначається:

1) складом nмоносахаридів;

2) послідовністю nїх у ланцюгу;

3) конформацією nїх (a чи b);

4) типом nглікозидних зв’язків між моносахаридами;

5) типом nзв’язку олігосахариду з білком.

В олігосахаридах знайдена велика nкількість типів глікозидних зв’язків (наприклад, a1®1, a1®2, a1®3, b1®2 тощо).

Рис. 18. Моносахариди і їх nпохідні – компоненти глікопротеїнів.

Завдяки цьому 3 різні моносахариди nможуть з’єднуватися з утворенням більше 1000 різних трисахаридів. А наявність розгалужень nолігосахаридного ланцюга додатково збільшує кількість варіантів. Таким чином, nолігосахаридні компоненти глікопротеїнів і гліколіпідів несуть величезну nінформацію, значно більшу, ніж поліпептиди чи полінуклеотиди. Зазначимо, що nвуглеводна частина одного і того ж глікопротеїну в організмі може проявляти nструктурну гетерогенність.

Кількість олігосахаридних ланцюгів, nприєднаних до однієї молекули білка, коливається від одного (як у трансферти, nрибонуклеазі) до декількох сотень (у муцинах слини, групових речовинах крові). nВідповідно, на долю вуглеводного компонента в глікопротеїнах припадає від 1-3 % маси nмолекули до 80-90 %. Олігосахариди приєднуються до полі-пептидного ланцюга nбілка О-глікозидним або N-глікозидним nзв’язком. Перший утворюється з гідроксилами залишків серину, треоніну чи nоксилізину, а другий – з амідною групою аспарагіну (рис. 19). О-глікозидні nолігосахаридні ланцюги більш різноманітні, ніж N-гліко-зидні. nОстанні містять спільний пентасахарид із 2-х N-ацетилглюко-замінів nі 3-х маноз, до якого приєднані різні додаткові моносахариди. У деяких nглікопротеїнах наявні як N-зв’язані, так і nО-зв’язані олігосахариди.

Рис. 19.  Структура деяких олігосахаридів у глікопротеїнах:

Гал – галактоза; Ман – маноза; Фук – фукоза; ГлюNАц – nN-ацетилглюкозамін;

ГалNАц – Nацетилгалактозамін; НейNАц – nN-ацетилнейрамінова кислота.

 

Синтез вуглеводних компонентів nглікопротеїнів

Вихідною речовиною для синтезу всіх nвуглеводів, які зустрічаються в глікопротешах, служить глюкоза. Донор nаміногрупи для амі-ноцукрів – глутамін. Для синтезу N-ацетилнейрамінової nкислоти використовується фосфоенолпіруват – проміжний продукт гліколізу. Як nпоказано на схемі, утворюються сполуки моносахаридів із нуклеотидами, які є nсубстратами в процесі синтезу олігосахаридних ланцюгів глікопротеїнів, nаналогічно до того, як УДФ-глюкоза застосовується для синтезу глікогену.

Природа нуклеотиду різна; nвикористовуються УДФ-похідні галактози, глюкози, N-ацетилгалактозаміну nі N-ацетилглюкозаміну, ГДФ-похідні манози і фукози, nЦМФ-ГЧ-ацетилнейрамінова кислота. Олігосахаридний ланцюг глікопротеїнів nсинтезується в результаті послідовної дії глікозилтрансфераз, ферментів із nвисокою субстратною специфічністю і на донора, і на акцептора моносахаридного nзалишку. Утворення кожного типу глікозидного зв’язку між моносахаридами nкаталізує відповідна трансфераза. Існують відмінності в синтезі глікопротеїнів nз О-глікозидним і N‑глікозидним зв’язками.

Синтез О-зв’язаних глікопротеїнів nпочинається з утворення гліко­зидного зв’язку між першим моносахаридом і nгідроксилом серину чи треоніну білкової частини, а далі відбувається nнарощування олігосаха-ридного ланцюга за рахунок дії відповідних nглікозилтрансфераз. Саме порядок дії ферментів визначає послідовність nмоносахаридних залишків у ланцюгу. У синтезі N-зв’язаних nглікопротеїнів бере участь особливий довголанцюговий ліпід (доліхол), що має nприблизно 100 атомів вуглецю. Спочатку на доліхолфосфаті під впливом nглікозилтрансфераз утворюється специфічний олігосахаридний ланцюг, який служить nпо­передником для синтезу всіх N-глікозидних nолігосахаридів:

Доліхол — Ф — Ф — (N-ацетилглюкозамін)₂ n(маноза)₉ (глюкоза)₃.

Далі олігосахарид переноситься з nдоліхолфосфату на амідну групу залишку аспарагіну білка. Реакція приєднання nолігосахариду відбувається одночасно із синтезом поліпептидного ланцюга білка nна рибосомах, зв’язаних із мембранами ендоплазматичного ретикулуму. Після цього nвід олігосахариду відщеплюються залишки глюкози і декілька маноз, а nприєднуються інші моносахариди. Цей процес називається дозріванням n(процесингом) олігосахаридних ланцюгів. У N-глікозидних nглікопротешах розрізняють багатоманозні олігосахариди й олігосахариди складного nтипу, в яких до однакового пентасахариду приєднані, відповідно, тільки залиш­ки nманози або різноманітні моносахариди. На рис. 19 показані типові приклади nолігосахаридів обох груп.

Утворення олігосахаридних ланцюгів О- й N-зв’язаних nглікопротеїнів починається в ендоплазматичному ретикулумі, а закінчується в nапараті Гольджі, з мембранами яких зв’язані глікозилтрансферази. Синтезовані nглікопротеїни упаковуються в апараті Гольджі в гранули (пухирці). Одні з них nвиводяться з клітини, а інші інтегруються в клітинні мембрани.

 

Розпад глікопротеїнів

В організмі відбувається постійне nоновлення глікопротеїнів, як і інших біополімерів. Глікопротеїни крові та інших nрідин захоплюються за допомогою рецепторів певними органами і в лізосомах nвідбувається їх розщеплення. Глікопротеїни клітинних мембран також надходять у nлізосоми. Лізосомні глікозидази гідролізують глікозидні зв’язки в nолігосахаридах глікопротеїнів і гліколіпідів. Для них характерна висока nсубстратна специфічність: кожна глікозидаза гідролізує тільки певний тип nглікозидних зв’язків. При відсутності чи дефекті якої-небудь глікозидази nнеповністю розщеплені олігосахариди накопичуються в лізосомах, що зумовлює nпорушення функцій клітин (лізосомні хвороби накопичення). Частіше зустрічаються nспадкові порушення розщеплення вуглеводної частини гліколіпідів. Описані nвідсутність альфа-фукозидази й альфа-манозидази з накопиченням фрагментів nглікопротеїнів.