Загальна схема обміну речовин

Коротколанцюгові фрагменти, що утворюються внаслідок розщеплення гексози, амінокислоти і жиру, подібні. З цього спільного метаболічного пулу проміжних про-

ЕНЕРГЕТИЧНИЙ БАЛАНС, МЕТАБОЛІЗМ І ЖИВЛЕННЯ / 261

дуктів можуть синтезуватись вуглеводи, білки і жири, хоча перетворення жирів у вуглеводи обмежене (див. нижче). Проміжні продукти також входять у цикл лимонної кислоти

— кінцевий спільний шлях катаболізму, у якому вони розщеплюються до атомів водню і С02. Атоми водню окис-нюються з утворенням води в ланцюгу флавопротеїнових і цитохромних ензимів.

                                                                                                                                                                  

Перенесення енергії

Більшість енергії, що вивільняється під час катаболізму, не використовують безпосередньо клітини, вона витрачається на утворення зв’язків між залишками фосфорної кислоти і деякими органічними сполуками. Оскільки для утворення такого типу зв’язку потрібно багато енергії, то під час наступного гідролізу цього зв’язку відбувається вивільнення енергії також у відповідно великих кількостях (10-12 ккал/моль). Сполуки, що містять такі зв’язки, називають високоенергетичними фосфатними сполуками. Не всі органічні фосфати є високоенергетичними сполуками. Багато з них, зокрема глюкозо-6-фосфат, належать до низькоенергетичних фосфатів, і під час їхнього гідролізу вивільняється лише 2-3 ккал/моль.

Окремі проміжні продукти, що утворюються внаслідок метаболізму вуглеводів, є високоенергетичними, проте найважливіша високоенергетична фосфатна сполука — аде-нозинтрифосфат (АТФ). Ця молекула (рис. 17-3) є головним носієм енергії в організмі.

Під час гідролізу АТФ до аденозиндифосфату (АДФ) вивільняється енергія для виконання таких процесів, як м’язові скорочення, активне транспортування і синтез багатьох хімічних сполук. Відщеплення ще одного фосфату з утворенням аденозинмонофосфату (АМФ) теж зумовлює вивільнення великої кількості енергії. Інша високоенергетична фосфатна сполука, що міститься в м’язах, — креа-тинфосфат (КФ; фосфокреатин) (див. нижче).

Важливими фосфорильованими сполуками, які зрештою теж можуть слугувати донорами енергії, є трифосфатні похідні інших піримідинових і пуринових основ (див. рис. 17-22), а саме: похідна гуаніну — гуанозинтрифосфат (ГТФ), важлива сполука для передавання сигналів (див. Розділ 1); похідна цитозину — цитидинтрифосфат (ЦТФ), похідна урацилу — уридинтрифосфат (УТФ), похідна гіпоксантину — інозинтрифосфат (ІТФ). З утворенням високоенергетичних фосфатів пов’язана значна кількість катабо-лічних реакцій.

Іншою групою високоенергетичних сполук є тіоефіри

— ацильні похідні меркаптанів. Коензим А (КоА) — це поширений меркаптан, що містить аденін, рибозу, панто-тенову кислоту і тіоетаноламін (рис. 17-4).

Відновлений КоА (HS-KoA) реагує з ацильними групами (R-CO-), утворюючи похідні R-CO-S-KoA. Прикладом може бути реакція HS-KoA й ацетатної кислоти з утворенням ацетилкоензиму А (ацетил-КоА) — однієї з головних сполук проміжного обміну. Оскільки ацетил-КоА є високоенергетичні шою сполукою, ніж ацетатна кислота, то він легко сполучається з речовинами в реакціях, що в інших випадках потребували б значних зовнішніх затрат енергії. Тому ацетил-КоА часто називають “активним ацетатом”. З погляду енергетики утворення 1 моля будь-якої сполуки ацегил-КоА еквівалентне утворенню 1 моля АТФ.

0

1

О

о — Р—о —Р-О-Р

II II II

0 0 0

но он

Аденін ‘

> Рибоза

Аденозин-5’-монофосфат (АМФ)

Аденозин-5-дифосфат (АДФ)

Аденозин-5’-трифосфат (АТФ)

Рис. 17-3. Високоенергетичні похідні аденозину (відтворено за дозволом з Murray RK et al: Harper’s Biochemistry. 25th ed. McGraw-Hill, 2000).

                                                                                                                                                                  

Біологічне окиснення

Окисиення — це сполучення речовини з 02 або відщеплення від неї водню чи електронів. Зворотні процеси називають відновленням. Біологічне окиснення каталізують спеціальні ензими. Кофактори, або коензими (органічні не-білкові сполуки), є допоміжними речовинами, що слугують переважно для перенесення продуктів реакції. Як і ензими, коензими теж можуть каталізувати різноманітні реакції.

Багато коензимів є акцепторами водню. Одна з найпоширеніших форм біологічного окиснення — відщеплення водню від R-OH груп з утворенням R=0. У таких реакціях дегідрогенізації нікотинамідаденіндинуклеотид (НАД+) і нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат (НАДФ+) приєднують водень, перетворюючись на відновлений нікотинамідаденіндинуклеотид (НАДхН) або нікотинамідаденін-динуклеотидфосфат (НАДФхН) (рис. 17-5). Далі водень переходить у флавопротеїнцитохромну систему, а коензими реоксидується до НАД+ і НАДФ+. Флавінаденіндинуклео-тид (ФАД) виникає шляхом фосфорилювання рибофлавіну, і утворений таким способом флавінмононуклеотид (ФМН) далі сполучається з АМФ, формуючи динукдеотид. ФАД може подібно приєднувати водень, утворюючи гідро-(ФАДхН) і дигідропохідні (ФАДхН2).

Флавопротеїнцитохромна система — це ланцюг ензимів, що переносять водень (протони й електрони) до кисню з утворенням води. Цей процес відбувається в мітохондріях. Під час перенесення водню кожен ензим ланцюга почергово відновлюється й окиснюється. Кожен ензим ланцюга — це білкова молекула, до якої приєднана небілкова прос-тетична група. Останнім ензимом у ланцюзі є цитохром-оксидаза, яка переносить електрони до 02 з утворенням Н20. Цей ензим містить два атоми Fe і три атоми Си. Він має 13 субодиниць.

                                                                                                                                                                  

Окисне фосфорилювання

Утворення АТФ, пов’язане з окисненням у флавопро-теїнцитохромній системі, називають окисним фосфори-

Пантотенова кислота

В-Аланін

Тіоетаноламін

_л_

Н3С ОН О II II Н

о

II Н

R-C-S-KoA + НОН

Рис. 17-4. Ліворуч: формула відновленого коензиму A (HS-KoA). Праворуч: реакція коензиму А та біологічно активних сполук з утворенням тіоефірів; R — залишок молекули.

люванням. АТФ може утворюватись і в інших умовах, коли хімічні реакції відбуваються з вивільненням значної кількості енергії. Ці реакції називають фосфорилюванням на субстратному рівні. У разі окисного фосфорилювання протони переносяться через внутрішню мембрану, що утворює кристи мітохондрій, і відбувається це одночасно з окисненням у дихальному ланцюгу (рис. 17-6). У мембрані виникає електрохімічний градієнт протонів, а зво

ротне переміщення протонів у матрикс є рушійною силою процесу сполучення АДФ та неорганічного фосфату (Рі) з утворенням АТФ, що його каталізує АТФ-аза мембрани (АТФ-синтаза, F-АТФ-аза) (рис. 17-7). Цей складний ензим, або подібний до нього, міститься в мембранах бактерій, де його активує окиснення, і в рослинах, де його активує світло (фотосинтез). Він має Fj та F0 частини і містить більше, ніж дванадцять субодиниць.

Nh,

«N

Аденін

Рибоза

ОН О»

II II

О О

Дифосфат

-CONK

N

Рибоза Нікотинамід

н

-CONH,

Н Н

І І

+ R’H2

І І

І

R

І

R

-CONH2 + Н+ +

R’

Окиснений коензим

Відновлений коензим

Рис. 17-5. Угорі: Окиснена форма нікотинамідаденіндинуклеотиду (НАД+). Нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат (НАДФ+) має додаткову фосфатну групу, позначену зірочкою. Внизу: Реакція, у якій НАД+ і НАДФ+ відновлюються з утворенням НАДхН і НАДФхН; R — залишок молекули; R’ — донор водню.

ЕНЕРГЕТИЧНИЙ БАЛАНС, МЕТАБОЛІЗМ І ЖИВЛЕННЯ / 263

Окисне фосфорилювання залежить від забезпечення молекулами АДФ і, отже, частково регульоване шляхом зворотного зв’язку; інтенсивніше використання тканинами АТФ зумовлює більше накопичення АДФ і, відповідно, вищий рівень окисного фосфорилювання. Іншими чинниками регулювання рівня утворення АТФ є рівень постачання жирів, лактату і метаболітів глюкози до матриксу мітохондрій, а також наявність 02.

Здебільшого 90% спожитого 02 використовується в процесах, що відбуваються в мітохондріях, а 80% цієї кількості — для синтезування АТФ. Близько 27% АТФ використовується для синтезування білків, майже 24% — Na+-K+-АТФ-азою, 9 — для глюконеогенезу, 6 — Са2+ АТФ-азою, 5 -міозин АТФ-азою і 3% — для синтезування сечовини. Крім функції перенесення енергії, АТФ є молекулою-поперед-ником цАМФ (див. Розділ 1).

                                                                                                                                                                  

ОБМІН ВУГЛЕВОДІВ

Вуглеводи харчових продуктів — це переважно полімери гексоз, з яких найважливішими є глюкоза, галактоза і фруктоза (рис. 17-8). Більшість моносахаридів в організмі перебуває у вигляді D-ізомерів. Головний продукт, що всмоктується в травному тракті і циркулює в крові, -глюкоза. В нормі рівень глюкози в плазмі периферійної венозної крові становить 70-110 мг/дл (3,9-6,1 ммоль/л), а в плазмі артеріальної крові на 15-30 мг/дл вищий, ніж у венозній.

Після поглинання клітинами глюкоза переважно фос-форилює до глюкозо-6-фосфату. Ензим, який каталізує цю

Рис. 17-7. Спрощена схема транспортування протонів через внутрішню і зовнішню поверхні внутрішньої мітохондріальної мембрани за допомогою транспортної системи електронів (флавопротеїнцитохромна система) з подальшим зворотним рухом протонів за протонним ґрадієнтом. унаслідок чого утворюється АТФ.

реакцію, називають гексокіназою. У печінці, крім того, міститься глюкокіназа, яка більше споріднена з глюкозою й активність якої, як і гексокінази, посилюється під впливом інсуліну і послаблюється під час голодування та в разі діабету. Глюкозо-6-фосфат або використовується для утворення глікогену, або розщеплюється (катаболізм). Ці шляхи зображені на рис. 17-9. Процес утворення глікогену називають глікогенезом, а процес розщеплення — гліко-генолізом. Глікоген, як форма зберігання глюкози, міститься в багатьох тканинах організму, проте найбільше його в печінці і скелетних м’язах. Розщеплення глюкози до пірувату або лактату (чи до обох) називають гліколізом. Катаболізм глюкози відбувається шляхом утворення фруктози і розщеплення її до тріоз або ж шляхом окиснення і декарбоксилювання з утворенням пентоз. Шлях, що веде

Жири

І

р-Окиснення

НГ

НАДН —

t

t

Флавопротеїнцитохромна система

Цикл Кребса

ЬҐ

о2

)

Н20

АТФ АДФ

Піруват — Амінокислоти

і

Глюкоза

Рис. 17-6. Спрощена схема окисного фосфорилювання. В процесі обміну жирів, глюкози й амінокислот утворюються протони (НГ), які переходять крізь внутрішню мітохондріальну мембрану (штрихова лінія). Дифузія цих протонів за концентраційним градієнтом, який виник, спонукає АТФ-азу до перетворення АДФ на АТФ. Ключові ензими цього перетворення показані на рис. л-1.

до утворення гіірувату через формування тріоз, називають шляхом Ембдена-Мейєргофа, а шлях, що веде до утворення 6-фосфоглюконату і пентоз, — пентозофосфатним шляхом окиснення (пентозомонофосфатний шунт) (див. рис. 17-9). Піруват перетворюється на ацетил-КоА. У процесі взаємного перетворення вуглеводів, жирів та білків гліцерин жирів перетворюється на діоксіацетонфосфат, а низка амінокислот, вуглецевий скелет яких подібний на проміжні продукти шляху Ембдена-Мейєргофа і циклу лимонної кислоти, — на ці проміжні продукти після дезамінування. Таким способом, а також шляхом перетворення лактату до глюкози неглюкозні молекули можуть поповнювати кількість глюкози (глюконеогенез).

Глюкоза через ацетил-КоА може перетворюватись на жири, та оскільки перетворення пірувату на ацетил-КоА, на відміну від інших реакцій гліколізу, є незворотним (рис. 17-10), то жири цим способом не можуть перетворюватись на глюкозу. В організмі перетворення жирів на глюкозу мінімальне (виняток становить кількісно незначне утворення глюкози з гліцерину) з огляду на те, що шляхів цього перетворення нема.

                                                                                                                                                                  

Цикл лимонної кислоти

Цикл лимонної кислоти (цикл Кребса, цикл трикар-бонових кислот) — це послідовність реакцій, у яких ацетил-коензим А метаболізується до С02 та атомів водню. Аце-тил-коензим А спочатку конденсується з аніоном дикар-бонової кислоти — оксалоацетатом, унаслідок чого утворюється цитрат і HS-KoA. В серії семи послідовних реакцій вивільняються дві молекули С02, а також регенерується оксалоацетат (див. рис. 17-10). Чотири пари атомів водню переходять на флавопротеїнцитохромний ланцюг, завдяки чому утворюються 12 молекул АТФ і 4 молекули Н20, з яких дві молекули Н20 використані в циклі. Цикл лимонної кислоти є спільним шляхом окиснення вуглеводів, жирів і деяких амінокислот до С02 і Н20.

Головним шляхом, що приводить до циклу лимонної кислоти, є шлях через ацетил-КоА, проте деякі амінокислоти можуть перетворюватись на проміжні продукти циклу лимонної кислоти дезамінуванням. Для перетворення в циклі лимонної кислоти потрібний 02, і він не діє в анаеробних умовах.

н-с = о

і

н-с-он

І

но-с-н

І

н-с-он

І

н-с-он

І

СН2ОН

н-с=о

І

н-с-он

І

но-с-н

І

но-с-н

І

н-с-он

І

сн2он

СН2ОН

І

с = о

І

но-с-н

І

н-с-он

І

н-с-он

І

СН2ОН

D-Глкжоза

D-Галактоза D-Фруктоза

Рис. 17-8. Структура головних харчових гексоз. Зображені формули головних природних ізомерів.

                                                                                                                                                                  

Ґенерування енергії

Чистий вихід високоергічних фосфатних сполук, що утворюються під час метаболізму глюкози і глікогену до пірувату, залежить від того, чи відбувається метаболізм шляхом Ембдена-Мейєргофа чи пентозо-фосфатним. Під час фосфорилювання на субстратному рівні з 1 моля фосфогліцеральдегіду утворюється 1 моль АТФ, а перетворення 1 моля фосфоенолпірувату на піруват-ще 1 моль АТФ. Оскільки внаслідок перетворення 1 моля глюкозо-

6-фосфату по шляху Ембдена-Мейєргофа утворюється 2 молі фосфогліцеральдегіду, то з 1 моля глюкози, що метаболізується до пірувату, утворюється 4 молі АТФ. Усі ці реакції відбуваються без 09 і, відповідно, є шляхом анаеробного утворення енергії. Однак у цьому разі 1 моль АТФ потрібен для утворення фруктозо-1,6-дифосфату з фрук-тозо-6-фосфату, а 1 моль — для фосфорилювання глюкози. Отже, внаслідок утворення пірувату з глікогену в анаеробних умовах утворюються 3 молі АТФ на 1 моль глюкозо-6-фосфату; якщо ж піруват утворюється з 1 моля глюкози, то ця кількість становить лише 2 молі АТФ.

Для перетворення фосфогліцеральдегіду на фосфогліце-рат потрібний НАД+. Можна було б сподіватись, що в анаеробних умовах (анаеробний гліколіз) повинно наставати блокування на рівні перетворення фосфогліцеральдегіду в міру перетворення наявного НАД+ на НАДН. Проте цього не відбувається, оскільки акцептором водню НАДН є піруват і, отже, утворюються НАД+ і лактат:

піруват + НАДН <=> лактат + НАД+.

Цим шляхом метаболізм глюкози й утворення енергії можуть відбуватися без 02. Лактат, що накопичується, може перетворюватись знову на піруват, а за наявності 02 НАДН передає свій водень на флавопротеїнцитохромний ланцюг.

Під час аеробного гліколізу чистий вихід АТФ у 19 разів більший, ніж в анаеробних умовах. Чотири молекули АТФ утворюються внаслідок окиснення в флавопротеїнцито-хромному ланцюгу двох молекул НАДН, які утворились під час перетворення 2 молів фосфогліцеральдегіду на фосфогліцерат (див. рис. 17-9); ще шість молекул АТФ утворюються внаслідок перетворення двох молекул НАДН, що виникли у разі конвертації пірувату на ацетил-КоА; 24 молекули АТФ утворюються під час послідовного дворазового проходження через цикл лимонної кислоти: з них 18 — унаслідок окиснення шести молекул НАДН; чотири -під час окиснення двох молекул ФАДН; дві — унаслідок фосфорилювання на субстратному рівні, коли сукциніл-КоА перетворюється на сукцинат. За умов цієї реакції фактично утворюється ГТФ, проте він еквівалентний до АТФ. Отже, чистий вихід АТФ на 1 моль глюкози, що метаболізується шляхом Ембдена-Мейєргофа і в циклі лимонної кислоти, становить 2 [2 х 3] н £2 х 3] “Ь [2 х 12]

= 38.

У випадку окиснення глюкози по пентозофосфатному шляху утворюються значні кількості НАДФН. Цей відновлений коензим потрібний для багатьох метаболічних процесів. Пентози, що виникають, є матеріалом, необхідним для синтезування нуклеотидів (див. нижче). Кількість АТФ. що утворюється, залежить від кількості НАДФН, який обмінюється на НАДН, що далі окисню ється.

ЕНЕРГЕТИЧНИЙ БАЛАНС, МЕТАБОЛІЗМ І ЖИВЛЕННЯ / 265

ВУГЛЕВОДИ

Глюкоза в позаклітинній рідині

Клітинна

стінка

АТФ-^АДФ

Гексокіназа

Глюкоза

Глікоген

Уридин-фосфатглюкоза

Гл ю козо-1 -фосфат

її

Г люкозо-6-фосфат

II

Фосфорилаза

Глюкозо-6-фосфатаза

(лише в печінці) фрукт0з0_6-фОСфаТ

АТФ-^АДФ Фосфофруктокіназа

Фруктозо-1,6-дифосфат

6-фосфоглюканат

І

Пентози

а-Гліцерофосфат ;

її

30-1

II

Фруктозо-1,6-дифосфатаза

її

Гліцерин (з жирів)

Дигідроацетонфосфат

+

Фосфогліцеральдегід

АДФ-НАД+

— АТФ ► НАДН

It

Фосфогліцерат

Фосфоенолпіруват-

карбоксилаза

Оксалоацетат-

її

Фосфоенолпіруват

АДФ—► АТФ

▼ НАДН^ НАД+

БІЛКИ _ Аланін _ Піруват < > Лактат

Рис. 17-9. Схема метаболізму вуглеводів у клітинах. Наведені головні ензими перетворення вуглеводів.

                                                                                                                                                                  

“Спрямовувальні клапани”

Метаболізм регулюють різноманітні гормони та інші чинники. З метою регулювання деяких метаболічних процесів потрібно скеровувати хімічні реакції в одному напрямі.

Більшість реакцій проміжного обміну зворотні, однак серед них є декілька “спрямовувальних клапанів”, тобто реакцій, що відбуваються під впливом певного одного

ензиму або транспортного механізму в одному напрямі, а їхній зворотний хід потребує іншого ензиму. На рис. 17-11 показано п’ять таких реакцій проміжного обміну вуглеводів. Прикладом можуть слугувати також різні шляхи синтезування і катаболізму жирних кислот (див. нижче). Чинники регулювання впливають на метаболізм шляхом прямої або опосередкованої дії на такого типу “спрямовувальні клапани”.

і

Піруват ЗС

НАДН + Н+ Mr

Ацетил-КоА 2С

Рис. 17-10. Цикл лимонної кислоти. Числа (6С, 5С та інші) означають кількість атомів вуглецю в проміжних продуктах. Перетворення пірувату на ацетил-КоА і кожен обіг циклу зумовлюють утворення чотирьох молекул НАДН та однієї молекули ФАДН2> які далі окиснюються у флавопротеїнцитохромному ланцюгу, а також однієї молекули ГТФ, що легко перетворюється на АТФ (модифіковано і відтворено за дозволом з Alberts ВМ et al: Molecular Biology of the Cell, 2nd ed. Garland, 1989).

                                                                                                                                                                  

Синтез і розщеплення глікогену

Глікоген — це розгалужений полімер глюкози, утворений за допомогою двох типів глікозидних зв’язків: 1:4а та 1:6а (рис. 17-12). Він синтезується на глікогеніні — білковому індукторі — з глюкозо-1-фосфату через уридиндифосфо-глюкозу (УДФГ). Ензим глікогенсинтаза завершує синтез. Наявність глікогеніну є одним з чинників, що визначає кількість утворення глікогену. Розщеплення глікогену за 1:4а-зв’язком каталізує фосфорилаза, тоді як розщеплення за 1:6а-зв’язком — інший ензим.

Фосфорилазу активує частково адреналін, який діє на (32-адренорецептори печінки. Це, відповідно, ініціює послідовність реакцій, що слугують класичним прикладом гормонального впливу через цАМФ (рис. 17-13). Протеїн-кіназа А активується за допомогою цАМФ і каталізує перенесення фосфатної групи на кіназу фосфорилази, перетворюючи її на активну форму. Кіназа фосфорилази каталізує фосфорилювання і відповідне активування фосфорилази. Неактивна фосфорилаза відома як фосфорилаза а (дефосфофосфорилаза), а активована — як фосфорилаза b (фосфофосфорилаза).

Активування протеїнкінази А за допомогою цАМФ не тільки посилює розщеплення глікогену, а й гальмує його синтезування. Глікогенсинтаза (див. рис. 17-12) активна в дефосфорильованому вигляді і неактивна у фосфорильо-ваному. Її фосфорилює кіназа фосфорилази, коли відбувається активування протеїнкінази А.

Глікоген розщеплюється також під впливом катехола-мінів, що діють на а,-адренорецептори печінки. Це розщеплення опосередковане внутрішньоклітинним Са2+ і зумовлюване активуванням незалежної від цАМФ кінази фосфорилази. Великі дози вазопресину й ангіотензину II теж можуть зумовлювати глікогеноліз таким шляхом, однак це малоймовірно, бо ці гормони позитивно впливають на гомеостаз глюкози.

Оскільки в печінці міститься ензим глюкозо-6-фосфа-таза, то більшість глюкозо-6-фосфату, що утворюється в цьому органі, може перетворюватись на глюкозу і переходити в кров’яне русло, підвищуючи рівень плазматичної глюкози. Функція нирок теж сприяє підвищенню такого рівня. Інші тканини не містять цього ензиму, тому в них переважна кількість глюкозо-6-фосфату катаболізується

ЕНЕРГЕТИЧНИЙ БАЛАНС, МЕТАБОЛІЗМ І ЖИВЛЕННЯ / 267

1. Проникнення глюкози в клітини і вихід її з клітин

Гексокіназа

2. Глюкоза Глюкозо-6-фосфат

Гл юкозо-6-фосфатаза

3.

Глікогенсинтаза

Глюкозо-1 -фосфат

Фосфорилаза

Глікоген

4. Фруктозо-6-фосфат

Фосфо-

фруктокіназа

Фруктозо-1,6-дифосфатаза

Фруктозо-1,6-дифосфат

5. Фосфоенолпіруват

Фосфоенолпіруват-карбоксикіназа

Оксалоацетат

АДФ—► АТФ Піруваткіназа

Піруват

Малат

Піруват

І

Оксалоацетат

і

— Малат

Рис. 17-11. П’ять прикладів “спрямовувальних клапанів” метаболізму вуглеводів, тобто реакцій, що відбуваються в одному напрямі за допомогою одного механізму, а в протилежному- за допомогою іншого. Подвійна лінія в прикладі 5 позначає мітохондріальну мембрану. Піруват перетворюється на малат у мітохондріях, а малат дифундує з мітохондрій до цитозолю, де перетворюється на фосфоенолпіруват.

шляхом Ембдена-Мейєргофа, а також за допомогою глю-козомонофосфатного шунта. Зростання катаболізму глюкози в скелетних м’язах зумовлює збільшення концентрації лактату в крові (див. Розділ 4).

Адреналін, стимулюючи аденілатциклазу, призводить до активування фосфорилази в печінці і скелетних м’язах. Наслідком цього є підвищення рівня глюкози в плазмі і збільшення кількості лактату в крові. Глюкагон має подібну дію, проте він впливає лише на фосфорилазу печінки. Відповідно, глюкагон зумовлює підвищення рівня глюкози в плазмі, однак не приводить до зміни кількості лактату в крові.

                                                                                                                                                                  

Хвороба Мак-Ардла

У випадку захворювання, відомого як хвороба Мак-Ардла, або міофосфорилазодефіцитний глікогеноліз,

глікоген накопичується в скелетних м’язах унаслідок дефіциту м’язової фосфорилази. Такі хворі відчувають біль у м’язах, у них виникає ригідність під час фізичних зусиль і значно знижується працездатність. У скелетних м’язах не відбувається розщеплення глікогену, що потрібно для забезпечення енергії м’язового скорочення (див. Розділ 3), а кількість глюкози, що надходить до м’язів з кров’яного

русла, достатня лише для виконання дуже обмежених рухів. У разі введення глюкагону або адреналіну рівень глюкози в плазмі стає нормальним, а це свідчить про те, що дефіциту печінкової фосфорилази в цих хворих немає.

                                                                                                                                                                  

“Печінковий глюкостат”

Якщо рівень глюкози у плазмі високий, то її поглинає печінка, а якщо низький, то глюкоза надходить з печінки у кров. Отже, печінка діє як “глюкостат”, що підтримує сталу концентрацію глюкози в крові. Ця функція не відбувається автоматично. Процеси поглинання глюкози печінкою та її вивільнення перебувають під контролем численних гормонів. Питання ендокринного регулювання рівня плазматичної глюкози й обміну вуглеводів розглянуто в Розділі 19.

                                                                                                                                                                  

Нирковий регулятор глюкози

У нирках легко відбувається фільтрування глюкози, проте у випадку нормального рівня глюкози в плазмі вся глюкоза, за винятком дуже незначної кількості, підлягає реабсорбції в проксимальних канальцях (див. Розділ 38). Якщо ж кількість профільтрованої глюкози збільшується, то збільшується і її реабсорбція, проте до певної межі. Тобто у випадку перевищення максимальної можливості реабсорбції в канальцях (Кмг) у сечі з’являються помітні кількості глюкози (глюкозурія). Нирковий поріг для глюкози, тобто концентрація глюкози в артеріальній крові, за якої виникає глюкозурія, дорівнює приблизно 180 мг/дл. Проте він може бути і вищим, якщо рівень клубочкової фільтрації невисокий.

                                                                                                                                                                  

Глюкозурія

Глюкозурія виникає, якщо рівень глюкози в плазмі збільшується внаслідок нестачі інсуліну (цукровий діабет) або надмірного глікогенолізу після фізичного чи емоційного навантаження. В окремих осіб простежується природжена вада транспортних механізмів глюкози в ниркових канальцях, і в цьому випадку глюкозурія виникає і за нормального рівня глюкози в плазмі. Такий стан називають нирковою глюкозурією. Аліментарна глюкозурія, тобто глюкозурія після приймання багатої на вуглеводи їжі, обов’язково виникає в практично здорових людей, проте в значної кількості таких осіб насправді в легкій формі є цукровий діабет. Максимальна інтенсивність всмоктування глюкози в кишці становить 120 г/год.

                                                                                                                                                                  

Чинники, що визначають концентрацію глюкози в плазмі

Рівень глюкози в плазмі залежить від балансу між кількістю глюкози, що надходить до кров’яного русла, і кількістю, що поглинається. Головними чинниками, що впливають на цей баланс, є надходження глюкози з їжі, ступінь проникнення її в м’язові клітини, жирову та інші тканини і глюкостатична активність печінки (рис. 17-14).

П’ять відсотків глюкози, що всмоктується в кишку, одразу перетворюється в печінці на глікоген, а 30-40% -на жири. Решта метаболізується в м’язах та інших тканинах. Під час голодування глікоген печінки розщеплюється і глюкоза надходить з печінки в кров’яне русло. У випадку тривалого голодування запаси глікогену вичерпуються, а в печінці відбувається глюконеогенез з аміно-

СН2ОН

J—оч

СН2ОН -Оч

Глікоген

— 1:6а-Зв’язок

Глюкозо-

6-фосфат

Рис. 17-12. Синтезування і розщеплення глікогену. Процес активування фосфорилази зображено на рис. 17-13.

р2-Рецептор -Адреналін

І

GS

\

Аденілатциклаза

АТФ цАМФ

Протеїнкіназа А

Неактивна Активна

фосфорилаза b фосфорилаза b кіназа + АТФ кіназа

Фосфорилаза b Фосфорилаза а + АТФ ^—

Глікоген Глюкозо-1-фосфат

Рис. 17-13. Каскад реакцій, за допомогою якого відбувається активування адреналіном фосфорилази. Подібною є дія глюкагону в печінці, проте не в скелетних м’язах.

кислот і гліцерину. В практично здорових людей унаслідок тривалого голодування рівень глюкози в плазмі може знижуватись приблизно до 60 мг/дл, проте в цьому разі не виникають симптоми гіпоглікемії, оскільки глюконеогенез запобігає подальшому зниженню рівня глюкози.

                                                                                                                                                                  

Гомеостаз вуглеводів у випадку фізичного навантаження

У людини масою 70 кг резерв вуглеводів становить приблизно 2500 ккал; вони зберігаються у вигляді 400 г м’язового глікогену, 100 г печінкового глікогену і 20 г глюкози, що міститься в міжклітинній рідині. Для порівняння: 112 000 ккал (приблизно 80% від енергетичних запасів організму) накопичені у вигляді жирів, а решта — у білкових сполуках. М’язи в стані відпочинку, а також після фізичної праці для потреб обміну використовують жирні кислоти. В разі утримання від споживання їжі в стані спокою головний мозок людини використовує 70-60% глюкози, а еритроцити — більшу частину решти.

Під час фізичної праці потреба м’язів у калоріях початково задоволена завдяки глікогенолізу і посиленому надходженню глюкози. Рівень глюкози в плазмі спочатку підвищується внаслідок посиленого глікогенолізу в печінці, проте у випадку напруженої тривалої праці він може суттєво знижуватись. Простежується зростання глюконео-генезу (рис. 17-15). У плазмі зменшується кількість інсуліну і збільшується кількість глюкагону й адреналіну. Після праці кількість глікогену в печінці поповнюється шляхом додаткового глюконеогенезу, а вихід глюкози з печінки зменшується.

ЕНЕРГЕТИЧНИЙ БАЛАНС, МЕТАБОЛІЗМ І ЖИВЛЕННЯ / 269

                                                                                                                                                                  

Вільям Ф. Ґанонґ. Фізіологія людини