Биологическая химия

Переваривание и всасывание углеводов

Переваривание углеводов начинается в ротовой полости, где на них изливается слюна, содержащая ферменты амилазу и мальтазу, которые обеспечивают распад углеводов до моносахаридов, в частности, глюкозы. Однако в связи с тем что время пребывания пищи в ротовой полости очень короткое, процесс переваривания углеводов там незначительный.

В полости желудка не происходит распада углеводов, потому что там отсутствуют ферменты, расщепляющие углеводы, а попавшая вместе с пищевым комком амилаза слюны не может проявить свое действие, так как в норме желудочный сок имеет сильно кислую реакцию (рН 1,5-2,5). Оптимум же рН амилазы — 6,8-7,2.

Основное переваривание углеводов происходит в тонком отделе кишечника, где для этого имеются оптимальные условия: сок поджелудочной железы и кишечный сок содержат ферменты, которые обеспечивают расщепление углеводов, а наличие слабо щелочной среды в кишечнике обусловливает их высокую активность.

Амилаза поджелудочной железы гидролизует крахмал вначале до декстринов, а затем до мальтозы. Последняя под действием мальтазы расщепляется до глюкозы. Если в пище содержится сахароза, то она подвергается распаду под действием сахаразы на глюкозу и фруктозу, а лактоза (молочный сахар) гидролизуется лактазой на глюкозу и галактозу.

Таким образом, в тонком кишечнике углеводы типа крахмала расщепляются до моносахаридов и в таком виде всасываются в кровь.

Из углеводов только клетчатка не расщепляется в тонком кишечнике. Она поступает в толстый отдел кишечника и там под действием ферментов микроорганизмов распадается до моносахаридов. Последние в основном используются для жизнедеятельности самих микроорганизмов.

Часть непереваренной клетчатки принимает участие в формировании кала и выводится из организма.

Рис. 52. Судьба глюкозы в организме

На рис. 52 схематично показана судьба глюкозы, поступившей из кишечника в кровь. Всосавшиеся моносахариды по воротной вене поступают в печень, где происходит процесс синтеза гликогена, осуществляются взаимопревращения углеводов, когда в зависимости от потребностей организма галактоза и фруктоза изомеризуются в глюкозу или. наоборот. Из печени углеводы кровью доставляются к различным органам и тканям, где участвуют в процессах обмена.

Промежуточный обмен углеводов

Регуляция углеводного обмена

Одной из важнейших функций углеводов является обеспечение всего организма энергией. Из всех представителей углеводов главное значение принадлежит глюкозе, которая является основным исходным продуктом почти всех превращений углеводов в организме. Ее содержание в крови в норме отличается удивительным постоянством, и по изменению уровня глюкозы судят о характере углеводного обмена в клинике. Поэтому важное значение представляет изучение регулятор-ных механизмов, ответственных за этот процесс.

Регуляция углеводного обмена осуществляется многими системами организма. Главное значение принадлежит центральной нервной системе. Внешние факторы (эмоциональные состояния: чувство страха, боязни, радости и др.) и внутренние раздражители регуляторных механизмов фиксируются в центральной нервной системе, которая немедленно на них реагирует. Классическим примером регуляции углеводного обмена является так называемый "сахарный укол" — раздражение дна IV мозгового желудочка, впервые произведенный К. Бернаром. Раздражение этого участка мозга немедленно приводит к увеличению уровня сахара в крови. В организме таким раздражителем является сниженный против нормы уровень сахара в крови (гипогликемия). В этом случае импульсы из нервной системы направляются в надпочечники и стимулируют выработку их мозговым слоем гормона адреналина. Последний активирует фермент фосфорилазу, который катализирует распад гликогена. В результате этого увеличивается количество глюкозы и соответственно повышается ее концентрация в крови до нормы, что приводит к снятию такого раздражителя.

Гормональная регуляция осуществляется рядом гормонов. Наибольшее значение имеют гормоны, перечисленные ниже.

Инсулин — гормон поджелудочной железы, обеспечивает снижение сахара в крови путем активации ферментов, ответственных за использование глюкозы клетками организма (рис. 53).

Рис. 53. Механизм действия инсулина и адреналина (объяснение в тексте)

На рис. 53 показан механизм действия инсулина. Глюкоза крови при участии инсулина поступает в клетки организма, в результате чего уровень ее в крови снижается (гипогликемический эффект). В клетках глюкоза превращается в глюкозо-6-фосфорный эфир (Г-6-Ф), который подвергается распаду или по пути гликолиза, или при аэробных условиях (пентозный цикл). При гликолизе из промежуточных продуктов может быть образован глицерин и небольшое количество ацетил-КоА, который поступает в цикл Кребса. В пентозном цикле глюкоза полностью окисляется с выделением большого количества СО₂ (из одной молекулы глюкозы образуется 6 молекул СО₂) и ряда промежуточных соединений, из которых могут быть синтезированы жирные кислоты.

Из других гормонов, участвующих в регуляции уровня сахара в крови, интерес представляет адреналин — гормон мозгового слоя надпочечников. Адреналин повышает уровень сахара путем активации распада гликогена (фермента фосфорилазы) до глюкозы и выброса ее в кровь. Помимо этого, адреналин умеренно активирует гликолиз. При этом происходит образование большего количества ацетил-КоА и, соответственно, большего количества энергии.

Глюкагон — гормон поджелудочной железы, действует аналогично адреналину.

Глюкокортикоиды — гормоны коры надпочечников, активируют процесс превращения жиров и белков в углеводы — глюконеогенез.

Адренокортикотропный гормон (АКТГ), вырабатываемый в гипофизе, стимулирует выработку глюкокортикоидов, т. е. опосредованно способствует повышению уровня сахара в крови путем активации глюконеогенеза. Аналогичным путем повышает сахар крови и соматотропный гормон.

Следовательно, только инсулин способствует снижению уровня сахара в крови, тогда как остальные гормоны вызывают его повышение. Эти кажущиеся на первый взгляд антагонистические отношения между инсулином, с одной стороны, и другими гормонами — с другой, являются по сути дела физиологически целесообразными в пределах всего организма. Так, адреналин и другие гормоны обеспечивают распад запасной формы углеводов — гликогена — до глюкозы и поступление ее в кровь. Инсулин же способствует использованию этой глюкозы клетками организма.

Из других регуляторных механизмов необходимо выделить печень, в клетках которой происходят процессы распада и синтеза глюкогена. Поэтому кровь, протекающая через печень, или насыщается глюкозой при ее недостатке в крови, или уровень сахара в крови снижается при ее избытке.

Таким образом, в регуляции углеводного обмена принимают участие различные факторы, совместное действие которых обеспечивает клетки необходимой энергией и питательными веществами, что характеризуется поддержанием на вполне определенном уровне сахара крови как показателя обмена углеводов всего организма.

Патология углеводного обмена

Как уже было отмечено, уровень сахара в крови в норме отличается завидным постоянством. Содержание сахара в крови у плода составляет 35-115 мг%, у новорожденных — 20-30 мг%, у детей — 80-120 мг%, у взрослых — 70-100 мг%, у пожилых — 85-110 мг%. Поэтому изменение уровня сахара в крови характеризует определенные нарушения обмена углеводов. К таким нарушениям в первую очередь следует отнести гипер- и гипогликемии.

Гипергликемия — это такое состояние организма, которое характеризуется повышением уровня сахара в крови. Гипергликемия возникает или при чрезмерном поступлении глюкозы в кровь, или при снижении ее использования клетками организма. Причинами гипергликемий могут быть как физиологические (потребление больших количеств углеводов, различные эмоциональные состояния и т. д.), так и патологические факторы (сахарный диабет, хронические инфекционные заболевания, опухоли мозга, психические заболевания). При этом уровень сахара крови может повышаться в 3-5 раз и достигать очень высоких значений (300-400 мг% и более при норме 80-120 мг%). Гипергликемии физиологического происхождения бывают кратковременными, и через 2-3 часа уровень сахара в крови снижается до нормальных величин.

Очень часто гиперкликемии сопровождаются глюкозурией — появлением сахара в моче, который в норме в ней отсутствует. Это наблюдается в тех случаях, когда уровень сахара в крови превышает 160-180 мг%. Эти величины характеризуют так называемый сахарный порог почек. В почках постоянно происходит процесс фильтрации крови, в результате чего все токсические продукты выводятся из организма с мочой. В то же время другие вещества почками реабсорбируются — поступают обратно в кровь. К таким веществам относится и глюкоза. Однако способность канальцев почек всасывать глюкозу обратно в кровь ограничена. Экспериментальным путем было установлено, что почки способны реабсорбировать весь сахар обратно в кровь, если уровень его в крови не более 160 мг%. При увеличении концентрации глюкозы свыше 160-180 мг% почки не справляются с таким большим количеством сахара и последний поступает в мочу.

Гипогликемические состояния характеризуются понижением сахара в крови до 50 мг% и ниже у взрослых. Гипогликемия возникает при избыточном синтезе инсулина или соответствующем снижении выработки гормонов антагонистов инсулина. При этом повышается синтез гликогена.

Формой нарушения углеводного обмена является сахарный диабет. Это заболевание, как доказано в настоящее время, является наследственной патологией и клинически проявляется триадой симптомов: гипергликемией, глюкозурией и кетонемией с кегонурией (появление в крови и моче высоких концентраций ацетоново-кетоновых тел, к которым относятся ацетон, ацетоуксусная и β-оксимасляная кислоты). Основной причиной сахарного диабета является снижение выработки инсулина. Как было отмечено выше, инсулин выполняет важную роль в обмене глюкозы, обеспечивая ее фосфорилирование и поступление в клетки организма, где она при окислении выделяет энергию, необходимую для жизнедеятельности клеток. Поэтому при недостатке инсулина этот процесс снижается, что приводи с одной стороны, к увеличению концентрации свободной глюкозы в крови (развивается гипергликемия и глюкозурия), а с другой — клетки испытывают недостаток в энергии. Организм компенсирует этот недостаток путем активации процессов глюконеогенеза (повышение распада жиров и белков и превращение их в углеводы). При этом накапливаются большие количества одного из конечных продуктов распада жиров — ацетил-КоА, который поступает в цикл Кребса, где, окисляясь, выделяет энергию, необходимую для существования клеток организма. При сахарном диабете и этот процесс ограничен, так как одновременно с окислением жиров активируются процессы расщепления белков и аминокислот. Последние при своем распаде выделяют большие количества аммиака, который является для организма весьма токсичным. Его обезвреживание идет различными путями, в том числе путем взаимодействия с α-кетоглютаровой кислотой, концентрация которой в организме снижается. Данная кислота является одним из основных компонентов цикла Кребса и расходование ее на обезвреживание аммиака соответственно приводит к снижению активности всего цикла Кребса. Последний не в состоянии окислить те большие количества ацетил-КоА, которые образуются при распаде жиров и аминокислот. Избыток ацетил-КоА поступает в печень, где из него синтезируются ацетоновые или кетоновые тела. Последние поступают в кровь, в результате чего их количество значительно возрастает: если в норме в крови уровень ацетоновых тел составляет около 1 мг%, а за сутки с мочой выделяется до 40 мг, то при сахарном диабете их уровень в крови может повыситься до 100 мг% — ацегонемия (кетонемия), а с мочой выводится до 50 г — ацетонурия (кетонурия). Увеличение в крови кислых продуктов, какими являются ацетоновые тела, приводит к сдвигу рН крови в кислую сторону. Такое состояние организма называется ацидозом. При этом ацетоновые тела, особенно ацетон, выделяются не только с мочой, но и через легкие и кожу. От больного пахнет ацетоном (запах прелых фруктов).

При тяжелых стадиях сахарного диабета больной теряет сознание, а в отдельных случаях возможен летальный исход.

Основным средством лечения этого заболевания является введение лечебных доз инсулина вместе с глюкозой. Добавление глюкозы служит предупредительной мерой от возможного развития сильной гипогликемии после введения инсулина и лучшего использования глюкозы. Другими возможными путями лечения служит введение веществ, блокирующих действие инсулиназы,- фермента, расщепляющего инсулин. При этом сберегаются те небольшие количества инсулина, которые могут синтезироваться пораженными клетками островков Лангерганса поджелудочной железы.

Диагностировать повышенный уровень сахара в крови можно различными способами, в том числе определением уровня сахара в крови методом Хагедорна-Йенсена, который основан на восстановительной способности глюкозы. Этот метод применяется в клинике. В настоящее время разработан глюкозоксидазный метод, позволяющий быстро определять уровень сахара в моче самими больными. Он заключается в следующем: на полоску бумаги наносят определенные реактивы, которые в присутствии сахара меняют свою окраску в зависимости от его количества. Поэтому достаточно смочить мочой такую бумажку, чтобы цвет ее изменился в соответствии с концентрацией сахара в моче. Имея такие бумажки, сам больной может контролировать свое состояние и принимать необходимые меры.

К другим нарушениям углеводного обмена относятся некоторые наследственные заболевания, характеризующиеся отсутствием или снижением активности ферментов, участвующих в этом обмене. К ним относятся галактоземия, гликогенозы, непереносимость лактозы, сахарозы и др.

При галактоземии отмечается отсутствие у детей фермента, катализирующего превращение галактозы в глюкозу. При этом в организме накапливаются большие количества галактозы, что является весьма токсичным, особенно для детей грудного возраста, Клинически заболевание проявляется поражением печени, почек, развитием желтухи, катарактой, понижением способности роста, умственной отсталостью. Чаще всего при нераспознанном заболевании дети погибают до года. Основным путем лечения являются ранняя диагностика заболевания и перевод ребенка на синтетическую диету, в которой отсутствует галактоза.

Гликогенозы характеризуются нарушением распада гликогена до глюкозы в связи с отсутствием ферментов, катализирующих этот процесс. При этом заболевании органы (печень, мышцы и др.) переполнены гликогеном, в них развиваются атрофические процессы, а клетки испытывают недостаток в глюкозе и в энергии.

К числу других наследственных заболеваний относятся непереносимость лактозы и сахарозы. Эти заболевания встречаются среди детей грудного возраста и возникают при отсутствии в кишечнике соответственно лактазы и сахаразы. Это приводит к переполнению кишечника нерасщепившимися дисахаридами, которые подвергаются расщеплению кишечной микрофлорой с образованием кислых продуктов (молочнокислые бактерии образуют молочную кислоту, маслянокислые — масляную и т. д.). Накопление этих веществ приводит к развитию тяжелых, длительных поносов.

Исследование углеводного обмена в клинике

Диагностика заболеваний углеводного обмена в клинике осуществляется различными методами. Для изучения способности поджелудочной железы вырабатывать инсулин применяется метод сахарных нагрузок и построение по этим данным сахарных кривых. Метод заключается в том, что у больного натощак берут кровь, в которой определяют сахар. Затем больному дают 50 г глюкозы (детям.- 25 г) и определяют сахар в крови через 30, 45, 60, 120 и 180 минут. На основании полученных результатов строят график, отображающий зависимость между временем и уровнем сахара в крови. У здорового человека при этом развивается умеренная гипергликемия, которая к 3-му часу снижается до нормы. В случае же с сахарным диабетом уровень сахара в крови натощак выше контрольных цифр. После дачи сахарной нагрузки развивается гипергликемия, которая характеризуется более высокими цифрами и сохраняется наиболее длительное время.

Рис. 54. Сахарные кривые крови после однократной нагрузки глюкозой

На рис. 54 представлены сахарные кривые здорового и больного сахарным диабетом. Этот метод позволяет диагностировать данное заболевание и контролировать его лечение.

Другим методом, характеризующим углеводный обмен, является определение сахара в моче.

Определение молочной кислоты в крови служит показателем обеспеченности тканей кислородом. Ее количество повышается после длительной физической нагрузки или при заболеваниях, сопровождающихся одышкой (пневмонии — воспаление легких, токсикозы, пороки сердца и т. д.).

Важное значение имеет определение пировиноградной кислоты в крови, содержание которой повышается при авитаминозе витамина B₁ (бери-бери).

Еще одним показателем углеводного обмена является уровень ацетоновых (кетоновых) тел в крови и моче. Ацетонемия и ацетонурия обнаруживаются при сахарном диабете, голодании, беременности и т. д.

Диагностика наследственных заболеваний основана на определении активности ферментов, ответственных за различные этапы превращения углеводов.

Вопросы для повторения

1. Что представляют собой пищевые источники углеводов?

2. В каком отделе пищеварительного тракта и под действием каких ферментов происходит переваривание углеводов?

3. В каком виде всасываются углеводы из кишечника?

4. По каким путям происходит превращение углеводов в тканях?

5. Что такое гликолиз, гликогенолиз?

6. Какое значение имеет анаэробный распад углеводов?

7. Напишите схему гликолиза.

8. Какое биологическое значение имеет аэробный распад углеводов?

9. Напишите схему аэробного распада углеводов.

10. Что является конечным продуктом окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты?

11. Каково биологическое значение пентозного цикла?

12. Напишите реакции конечных этапов молочнокислого, маслянокислого и спиртового брожения.

13. Какие факторы участвуют в регуляции обмена углеводов?

14. Каков механизм действия адреналина, инсулина, глюкокортикоидов, АКТГ?

15. Что такое гипогликемия, гипергликемия, глюкозурия?

16. Каковы причины сахарного диабета?

17. Охарактеризуйте патогенез сахарного диабета с биохимических позиций.

18. Какие лекарственные средства применяются при лечении сахарного диабета?

19. Почему при лечении сахарного диабета рекомендуется введение инсулина вместе с глюкозой?

20. Какие известны наследственные заболевания углеводного обмена и какова их причина?

21. Что такое гликогенозы, галактоземия?

22. Какие методы применяются для исследования углеводного обмена в клинике?