Переваривание углеводов в желудочно-кишечном тракте
Основные углеводы пищи — крахмал, сахароза и лактоза. Крахмал представляет собой полимер глюкозы, остатки которой соединены α-1,4- и α-1,6-гликозидными связями. Переваривание начинается в ротовой полости под действием α-амилазы слюны, гидролизующей крахмал до декстринов. В желудке расщепление углеводов практически не происходит из-за отсутствия соответствующих ферментов и кислой среды.
В двенадцатиперстной кишке действует α-амилаза поджелудочной железы, расщепляющая крахмал до дисахаридов — мальтозы (α-1,4) и изомальтозы (α-1,6). Окончательный гидролиз дисахаридов осуществляют пристеночные ферменты тонкого кишечника:
- сахаразо-изомальтазный комплекс — гидролизует сахарозу, мальтозу, изомальтозу;
- β-гликозидазный комплекс — расщепляет ряд β-гликозидов;
- лактаза — расщепляет лактозу на галактозу и глюкозу.
Активность лактазы максимальна у детей и снижается с возрастом, что лежит в основе лактазной недостаточности.
Всасывание моносахаридов и их транспорт в ткани
Моносахариды поступают в энтероциты двумя путями. Облегчённая диффузия характерна для фруктозы (через GLUT5), а также частично для глюкозы и галактозы. Вторично-активный транспорт с участием Na⁺-зависимого переносчика SGLT1 переносит глюкозу и галактозу против градиента концентрации; энергия обеспечивается работой Na⁺/K⁺-АТФазы.
Из энтероцитов в кровь моносахариды выходят путём облегчённой диффузии. В тканях глюкоза поглощается белками семейства GLUT. Особое значение имеет GLUT4 — инсулинзависимый транспортёр мышечной и жировой ткани.
Фосфорилирование глюкозы и судьба глюкозо-6-фосфата
В клетке глюкоза немедленно фосфорилируется. Реакцию катализируют:
- гексокиназа — низкая Km (~0,1 ммоль/л), ингибируется продуктом — глюкозо-6-фосфатом;
- глюкокиназа — высокая Km (~10 ммоль/л), работает в печени, индуцируется инсулином.
Глюкозо-6-фосфат используется для синтеза гликогена, в пентозофосфатном пути, для синтеза других моносахаридов и аминокислот, а также подвергается катаболизму до CO₂ и H₂O или до лактата с образованием АТФ.
Гликогенез: синтез гликогена
Синтез гликогена идёт в абсорбтивный период (1–2 ч после приёма пищи). Этапы:
- Глюкоза → глюкозо-6-фосфат (гексокиназа/глюкокиназа).
- Глюкозо-6-фосфат → глюкозо-1-фосфат под действием фосфоглюкомутазы.
- Активация глюкозы: глюкозо-1-фосфат + УТФ → УДФ-глюкоза + пирофосфат (фермент УДФ-глюкопирофосфорилаза).
- Гликогенсинтаза переносит остаток глюкозы с УДФ-глюкозы на праймер (≥4 остатков), формируя α-1,4-гликозидную связь.
- После удлинения цепи до 11–12 остатков фермент ветвления (амило-1,4→1,6-гликозилтрансфераза) переносит фрагмент из 5–6 остатков, образуя α-1,6-связь — точку ветвления.
Гликогенолиз: мобилизация гликогена
Распад гликогена активируется в постабсорбтивный период и при физических нагрузках. Ключевой фермент — гликогенфосфорилаза, фосфоролитически расщепляющая α-1,4-связи с образованием глюкозо-1-фосфата. Фермент останавливается за 4 остатка от точки ветвления. Далее работает деветвящий фермент:
- олигосахаридтрансфераза переносит триглюкозный фрагмент на соседнюю цепь;
- α-1,6-гликозидаза гидролизует α-1,6-связь, освобождая свободную глюкозу.
Глюкозо-1-фосфат превращается в глюкозо-6-фосфат. В мышцах он вовлекается в гликолиз. В печени присутствует глюкозо-6-фосфатаза, дефосфорилирующая глюкозо-6-фосфат до свободной глюкозы, которая выходит в кровь и поддерживает гликемию.
Регуляция обмена гликогена
Одновременный синтез и распад невозможны благодаря реципрокной регуляции гликогенсинтазы и гликогенфосфорилазы. Активные формы:
- гликогенсинтаза — дефосфорилированная;
- гликогенфосфорилаза — фосфорилированная.
Соотношение определяется инсулин-глюкагоновым индексом (ИГИ).
Инсулин (высокий ИГИ) активирует протеинфосфатазу гранул гликогена, дефосфорилирующую оба фермента: гликогенсинтаза активируется, гликогенфосфорилаза инактивируется. Дополнительно инсулин активирует GLUT4, индуцирует глюкокиназу и активирует фосфодиэстеразу, снижающую уровень цАМФ.
Глюкагон (в печени) и адреналин (через β2-рецепторы) включают аденилатциклазную систему: G-белок → аденилатциклаза → цАМФ → протеинкиназа А. ПКА фосфорилирует гликогенсинтазу (инактивация) и киназу фосфорилазы, которая активирует гликогенфосфорилазу.
Адреналин через α1-адренорецепторы активирует инозитолфосфатную систему: фосфолипаза С → ИФ3 → выход Ca²⁺ → комплекс Ca²⁺–кальмодулин–киназа фосфорилазы активирует гликогенфосфорилазу. Протеинкиназа С дополнительно фосфорилирует и инактивирует гликогенсинтазу.
В мышцах при умеренной нагрузке гликогенфосфорилазу аллостерически активирует АМФ. При интенсивной нагрузке подключаются нервный импульс (Ca²⁺-кальмодулиновый путь) и адреналин (цАМФ-зависимый путь).
Гликогеновые болезни (гликогенозы)
Гликогенозы — наследственные заболевания, обусловленные дефектами ферментов синтеза или распада гликогена. Они сопровождаются накоплением аномальных количеств или структурно изменённого гликогена в печени, мышцах, почках. Клинически проявляются гипогликемией натощак, гепатомегалией, мышечной слабостью и непереносимостью физических нагрузок. Дефекты глюкозо-6-фосфатазы (болезнь Гирке), деветвящего фермента, мышечной фосфорилазы (болезнь Мак-Ардля) и фермента ветвления — наиболее изученные формы.
Ключевые моменты
- Крахмал расщепляется α-амилазами слюны и поджелудочной железы; окончательный гидролиз дисахаридов идёт пристеночно (сахараза-изомальтаза, лактаза).
- Глюкоза транспортируется в энтероциты через SGLT1 (вторично-активно с Na⁺) и поступает в ткани через GLUT-белки; GLUT4 — инсулинзависимый.
- В клетке глюкоза фосфорилируется гексокиназой или глюкокиназой; глюкозо-6-фосфат — центральный метаболит.
- Синтез гликогена требует активации глюкозы до УДФ-глюкозы; ключевые ферменты — гликогенсинтаза и фермент ветвления.
- Распад идёт фосфоролитически: гликогенфосфорилаза + деветвящий фермент (трансфераза + α-1,6-гликозидаза).
- Только печень способна высвобождать свободную глюкозу в кровь благодаря глюкозо-6-фосфатазе.
- Инсулин стимулирует синтез (дефосфорилирование ферментов), глюкагон и адреналин — распад гликогена через цАМФ/ПКА и Ca²⁺-зависимые пути.
- Наследственные дефекты ферментов обмена гликогена приводят к гликогенозам с гипогликемией и поражением печени и мышц.