Переваривание углеводов в желудочно-кишечном тракте
Основные углеводы пищи — крахмал, сахароза и лактоза. Крахмал представляет собой полимер глюкозы, остатки которой соединены α-1,4-гликозидными и α-1,6-гликозидными связями.
Расщепление крахмала начинается в ротовой полости под действием α-амилазы слюны до декстринов. В желудке специфических ферментов нет, возможно лишь остаточное действие α-амилазы. В двенадцатиперстной кишке поджелудочная железа выделяет α-амилазу, гидролизующую крахмал до мальтозы (α-1,4-связь) и изомальтозы (α-1,6-связь).
Окончательное переваривание дисахаридов происходит на щёточной кайме энтероцитов специфическими гликозидазами:
- сахаразо-изомальтазный комплекс расщепляет сахарозу, мальтозу и изомальтозу;
- лактаза (β-гликозидаза) гидролизует лактозу до галактозы и глюкозы;
- экспрессия лактазы снижается с возрастом, что у части взрослых вызывает лактазную недостаточность.
Всасывание моносахаридов и поступление в ткани
Глюкоза и галактоза всасываются в энтероциты вторично-активным транспортом вместе с ионами Na⁺ против градиента концентрации; градиент натрия поддерживается Na⁺/K⁺-АТФазой. Фруктоза и часть глюкозы поступают путём облегчённой диффузии. Из энтероцитов в кровь моносахариды переносятся облегчённой диффузией.
В ткани глюкоза поступает через белки-переносчики семейства ГЛЮТ. Особое значение имеет ГЛЮТ-4 — инсулин-зависимый переносчик в мышечной и жировой тканях.
В клетке глюкоза немедленно фосфорилируется гексокиназой (низкая Km ≈ 0,1 ммоль/л, ингибируется глюкозо-6-фосфатом) или глюкокиназой печени (высокая Km ≈ 10 ммоль/л). Образующийся глюкозо-6-фосфат используется для синтеза гликогена, пентоз, аминокислот, а также для катаболизма до СО₂ и Н₂О или до лактата с образованием АТФ.
Синтез гликогена
Синтез гликогена идёт в абсорбтивный период (1–2 часа после еды). Этапы:
- Глюкоза → глюкозо-6-фосфат (гексокиназа/глюкокиназа).
- Глюкозо-6-фосфат → глюкозо-1-фосфат под действием фосфоглюкомутазы.
- Активация: глюкозо-1-фосфат + УТФ → УДФ-глюкоза + пирофосфат (фермент УДФ-глюкопирофосфорилаза).
- Гликогенсинтаза переносит остаток УДФ-глюкозы на праймер, образуя α-1,4-гликозидную связь; так наращивается линейная цепочка примерно из 12 остатков.
- Амило-1,4→1,6-гликозилтрансфераза (фермент ветвления) переносит фрагмент из 5–6 остатков, формируя α-1,6-связь и точку ветвления.
Мобилизация гликогена
Распад идёт в постабсорбтивный период и при физической нагрузке. Ключевой фермент — гликогенфосфорилаза, расщепляющая только α-1,4-связи с образованием глюкозо-1-фосфата. Когда до точки ветвления остаётся 3–4 остатка, олигосахаридтрансфераза переносит их на основную цепь, а оставшийся остаток с α-1,6-связью отщепляет α-1,6-гликозидаза в виде свободной глюкозы.
Глюкозо-1-фосфат превращается в глюкозо-6-фосфат. В мышцах он используется только для собственных нужд. В печени работает глюкозо-6-фосфатаза, отщепляющая фосфат и высвобождающая свободную глюкозу в кровь для других тканей.
Регуляция: инсулин-глюкагоновый индекс
Инсулин-глюкагоновый индекс (ИГИ) — отношение концентраций инсулина к глюкагону. После приёма пищи ИГИ повышается, при голодании — снижается. Синтез и распад гликогена не идут одновременно — реципрокная регуляция обеспечивается фосфорилированием/дефосфорилированием ферментов.
Действие инсулина (через каталитический рецептор):
- активирует протеинфосфатазу гранул гликогена, которая дефосфорилирует гликогенсинтазу (активная форма) и гликогенфосфорилазу (неактивная форма);
- стимулирует встраивание ГЛЮТ-4 в мембрану;
- активирует фосфодиэстеразу (цАМФ → АМФ), снижая активность протеинкиназы А;
- индуцирует синтез глюкокиназы.
Действие глюкагона и адреналина
Глюкагон (печень) и адреналин (через β₂-адренорецепторы) запускают аденилатциклазную систему: G-белок → аденилатциклаза → цАМФ → протеинкиназа А. ПКА фосфорилирует:
- гликогенсинтазу — инактивирует её;
- киназу фосфорилазы, которая фосфорилирует и активирует гликогенфосфорилазу.
Адреналин через α₁-рецепторы запускает инозитолфосфатную систему: фосфолипаза С → ИФ₃ → выход Ca²⁺ из ЭПР. Ca²⁺ связывается с кальмодулином, активируя киназу фосфорилазы; протеинкиназа С фосфорилирует и инактивирует гликогенсинтазу.
В мышцах существуют дополнительные механизмы: при умеренной нагрузке накапливающийся АМФ аллостерически активирует даже дефосфорилированную гликогенфосфорилазу. При интенсивной нагрузке нервный импульс повышает уровень Ca²⁺, активируя комплекс Ca²⁺-кальмодулин-киназа фосфорилазы, а адреналин дополнительно усиливает распад через цАМФ-зависимый путь.
Ключевые моменты
- Крахмал последовательно расщепляется α-амилазой слюны, панкреатической α-амилазой и мембранными гликозидазами кишечника.
- Глюкоза всасывается вторично-активно с Na⁺, попадает в ткани через ГЛЮТ; ГЛЮТ-4 — инсулин-зависимый.
- В клетке глюкоза фосфорилируется гексокиназой или глюкокиназой; их различает Km и тип ингибирования.
- Синтез гликогена требует УДФ-глюкозы; ключевые ферменты — гликогенсинтаза и фермент ветвления.
- Распад гликогена осуществляют гликогенфосфорилаза, олигосахаридтрансфераза и α-1,6-гликозидаза.
- Только печень способна высвобождать свободную глюкозу в кровь благодаря глюкозо-6-фосфатазе.
- Инсулин активирует синтез через дефосфорилирование ферментов; глюкагон и адреналин — распад через цАМФ-ПКА.
- В мышцах распад гликогена дополнительно регулируется АМФ и Ca²⁺-кальмодулином при сокращении.