Биологическая роль глюконеогенеза

Этот процесс обеспечивает потребности в глюкозе в тех случаях, когда в организм поступает недостаточное количество углеводов. Глюкоза необходима для удовлетворения энергетических потребностей головного мозга, скелетных мышц, эритроцитов. В жировой ткани она является источником глицерина, входящего в состав жиров. В молочной железе глюкоза используется для образования лактозы и активно потребляется плодом в период развития.

Механизм глюконеогенеза используется для удаления из крови продуктов тканевого метаболизма, например, лактата, образующегося в мышцах и эритроцитах, и глицерина, непрерывно образующегося в жировой ткани.

· МЕТИЛМАЛОНАТНЫЙ ПУТЬ

Главным источником глюкозы у жвачных является пропионовая кислота, образующаяся в рубце жвачных животных в процессе сбраживания углеводов.

Превращение пропионовой кислоты в глюкозу в тканях осуществляется по метилмалонатному пути.

О АТФ, КоА-SH О

СН₃ – СН₂ – С^// - ОН ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ® СН₃ – СН₂ – С^// ~ S – KoA

пропионил-КоА- пропионил-КоА

синтетаза

-АМФ

-Н₄Р₂О₇ ¾ ® 2Н₃РО₄

СООН СООН

АТФ, СО₂ ½ ½

¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ® Н – С – СН₃ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ® Н₃С – С - Н ¾ ®

пропионил-КоА- ½ O рацемаза ½ О

карбоксилаза С^// ~ S – KoA С^// ~ S - КоА

АДФ, Н₃РО₄ D-метилмалонил-КоА L-метилмалонил-КоА

СООН

½

СН₂

5-дезоксиаденозилкобаламин ½

¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ® СН₂

метилмалонил-КоА-мутаза ½ О

С ^//~ S – КоА

сукцинил-КоА

Сукцинил-КоА далее поступает в цикл трикарбоновых кислот, где через сукцинат, фумарат, L-малат превращается в оксалоацетат, который вовлекается в глюконеогенез.

· БИОСИНТЕЗ ГЛИКОГЕНА (ГЛИКОГЕНЕЗ)

Избыток глюкозы в крови используется для биосинтеза гликогена, который откладывается в депо, главным образом в печени и мышцах.

На 1-м этапе (рис. 9) происходит фосфорилирование глюкозы под действием гексокиназы(глюкокиназы) с образованием Г-6-Ф, который при участии фосфоглюкомутазы превращается в Г-1-Ф. Последний под действием УДФГ-пирофосфорилазы взаимодействует с УТФ (уридинтрифосфатом), в результате реакции образуются УДФ-глюкоза (активированная форма глюкозы) и пирофосфат. Гидролиз пирофосфата до 2-х молекул ортофосфата в присутствии фермента пирофосфатазы запускает синтез УДФ-глюкозы. На следующей стадии происходит перенос одного глюкозного остатка на затравку гликогена, полисахаридная цепь которой уже содержит более 4-х остатков глюкозы:

УДФ-глюкоза + (глюкоза)_n ¾ ® УДФ + (глюкоза)_n+1

Эта реакция катализируется гликогенсинтазой, которая образует между остатками глюкозы только a-1, 4-гликозидные связи. Регенерация УТФ осуществляется в реакции: УДФ + АТФ ® УТФ + АДФ. Катализ реакции происходит при участии нуклеозиддифосфокиназы.

В образовании a-1, 6-гликозидных связей молекулы гликогена участвует ветвящий фермент. Ветвление повышает растворимость гликогена, увеличивает скорость его синтеза и распада. Ветвящий фермент переносит блок, состоящий примерно из семи глюкозных остатков (он происходит из цепи длиной минимум в 11 остатков) ближе к внутренней части молекулы. Каждая новая точка ветвления должна быть удалена от предшествующей как минимум на 4 остатка.

Рис. 9. Схема синтеза гликогена.

Гликоген печени используется как резерв глюкозы для организма животных в период между приемами корма, в то время как мышечный служит источником Г-6-Ф, являющегося источником АТФ для работы мышц.

· РЕГУЛЯЦИЯ ОБМЕНА УГЛЕВОДОВ

Важным показателем, характеризующим состояние углеводного обмена в организме животных, является концентрация глюкозы в крови, которая определяется соотношением между интенсивностью поступления ее в кровоток и выхода из крови (в норме в среднем 3, 5 – 6, 0 ммоль/л у большинства животных; у жвачных 2, 2 – 3, 3 ммоль/л; у птиц 7 – 8 ммоль/л).

Существует прямая связь между содержанием глюкозы в крови и функциональным состоянием центральной нервной системы. При уменьшении концентрации глюкозы в крови происходит возбуждение соответствующих нервных центров в гипоталамусе и продолговатом мозге. Нервные импульсы поступают в печень, где активируется гликогенфосфорилаза, катализирующая распад гликогена с образованием Г-1-Ф, который через Г-6-Ф превращается в глюкозу, поступающую в кровь. Таким образом восстанавливается уровень глюкозы в крови. Источники глюкозы для организма животных и пути ее использования указаны в таблице 3 и рис. 10.

Таблица 3. Поступление глюкозы в кровь и пути ее использования.

Содержание глюкозы в крови регулируют многие гормоны.

Инсулин поджелудочной железы обеспечивает поступление глюкозы в клетки, активируя ее транспорт через клеточную мембрану, ускоряет ее окислительный распад. Кроме того инсулин ускоряет синтез гликогена в печени и мышцах, синтез липидов из промежуточных продуктов распада углеводов, синтез белков из глюкогенных аминокислот. Одновременно инсулин тормозит гликогенолиз, липолиз, глюконеогенез, распад белков. Таким образом, инсулин, является гипогликемическим фактором, т.е. он понижает уровень глюкозы в крови.

Гормон поджелудочной железы глюкагон является антагонистом инсулина. Он ускоряет гликогенолиз и глюконеогенез в печени, распад жиров и белков и одновременно тормозит синтез гликогена, липогенез и протеиногенез. Аналогичным образом действует адреналин мозгового слоя надпочечников.

Глюкокортикоиды коры надпочечников ускоряют глюконеогенез, индуцируя синтез ферментов, участвующих в этом метаболическом пути. Эти гормоны также активируют гликогенолиз, липолиз, снижают проницаемость клеточных мембран кожи, жировой ткани, лимфоидных органов, соединительной ткани для глюкозы и аминокислот.

В регуляции углеводного обмена также принимают участие соматотропный гормон передней доли гипофиза, тироксин щитовидной железы. Они также как глюкагон, адреналин и глюкокортикоиды, способствуют повышению уровня глюкозы в крови, являясь гипергликемическими факторами.

Рис. 10. Источники получения и использования глюкозы в организме животных.

Между действием вышеуказанных гормонов устанавливается динамическое равновесие, регулируемое центральной нервной системой. Таким образом, осуществляется общая нейрогуморальная регуляция углеводного обмена.

· НАРУШЕНИЯ ОБМЕНА УГЛЕВОДОВ

Нарушения углеводного обмена выражаются в гипергликемии, гипогликемии, глюкозурии, гликогенозах, непереносимостью лактозы, сахарозы.

Частым симптомом различных заболеваний, связанных с нарушением эндокринной системы является гипергликемия (повышенное содержание глюкозы в крови). Она наблюдается при недостатке инсулина поджелудочной железы. Мышечная ткань в этом случае теряет способность утилизировать глюкозу крови. Гипергликемия отмечается также при гипофизарных заболеваниях, опухолях коры надпочечников, гиперфункции щитовидной железы, заболеваниях печени, при беременности.

Гипогликемия может наблюдаться при аденомах поджелудочной железы (в результате повышенной секреции инсулина), при аддисоновой болезни, гипотиреозе, голодании, длительной физической нагрузке.

Низкий уровень глюкозы в крови иногда регистрируется при беременности и лактации.

Нарушение углеводного обмена отмечается при гипоксических состояниях. При нарушении кровообращения, дыхания, снижении активности окислительно-восстановительных ферментов, интоксикациях, инфекциях, авитаминозах и гиповитаминозах наблюдается отставание скорости окисления пирувата от интенсивности гликолиза. Накопление при этом пирувата и лактата в крови приводит к изменению кислотно-щелочного равновесия и снижает щелочной резерв крови.

Наличие глюкозы в моче (глюкозурия) является следствием нарушения углеводного обмена в результате патологических изменений в поджелудочной железе (сахарный диабет, острый панкреатит). Также встречается глюкозурия почечного происхождения, связанная с недостаточностью резорбции глюкозы в почечных канальцах. При отравлениях морфином, стрихнином, хлороформом, фосфором также отмечается глюкозурия.

Гликогенозы – это заболевания, связанные с нарушением распада гликогена. В этом случае гликоген накапливается в клетках в больших количествах и разрушает их. Одной из причин гликогенозов является недостаточная активность фермента глюкозо-6-фосфатазы в печени и почках. При этом в результате гипогликемии появляются судороги, задержка роста, возможен ацидоз. В крови отмечается повышенное содержание пировиноградной и молочной кислот.

· КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПО ТЕМЕ:

«ОБМЕН УГЛЕВОДОВ»

1. Назовите ферменты, участвующие в расщеплении крахмала, гликогена, клетчатки, сахарозы и лактозы в организме сельскохозяйственных животных.

2. В чем состоит значение анаэробного гликолиза. Укажите пункты субстратного фосфорилирования в ходе этого процесса.

3. В чем заключается преимущество аэробного пути утилизации глюкозы по сравнению с анаэробным? В каких тканях, и при каких условиях метаболизм глюкозы протекает преимущественно по анаэробному пути?

4. С кормом животное получило углеводов, эквивалентное 720 г глюкозы. Рассчитайте возможный выход АТФ, если окисление глюкозы происходило: а) в анаэробных условиях; б) в аэробных условиях?

5. С кормом животное получило 342 г сахарозы. Рассчитайте возможный выход АТФ, если окисление продуктов гидролиза сахарозы происходило: а) в анаэробных условиях; б) в аэробных условиях.

6. Какова роль пентозофосфатного пути метаболизма углеводов. Назовите регуляторные механизмы окислительной и неокислительной ветви ПФП.

7. Назовите основные неуглеводные предщественники глюкозы. Какова биологическая роль глюконеогенеза?

8. В чем заключается значение метилмалонатного пути для жвачных животных?

9. В чем состоит разница при использовании гликогена в мышечной ткани и печени? Ответ аргументировано обоснуйте.

10. Каково в норме содержание глюкозы в крови сельскохозяйственных животных? Укажите механизмы поддержания нормального уровня глюкозы в крови. Назовите основные причины гипергликемии и глюкозурии.