Нарушения углеводного обмена - патофизиология обменных процессов
НАРУШЕНИЯ УГЛЕВОДНОГО ОБМЕНА
Главным продуктом расщепления углеводов в пищеварительном тракте является глюкоза. Те небольшие количества фруктозы и галактозы, которые образуются в результате расщепления сахарозы и лактозы, превращаются в печени в глюкозу и могут служить субстратами для синтеза гликогена.
Глюкоза используется как источник энергии многих клеток организма и является единственным энергетическим субстратом для клеток головного мозга. Следовательно, поддержание уровня глюкозы в крови в узких пределах (3,0—5,0 ммоль/л, или 55—80 мг/100 мл утром натощак) занимает одно из важных мест в гомеостатических механизмах организма.
Уровень глюкозы в плазме крови в какое-либо данное время является результатом равновесия между всасыванием глюкозы из кишечника, поступлением глюкозы в периферические ткани, особенно в мышцы и головной мозг, образованием гликогена в печени (гликогенез), разрушением гликогена в печени (гликогенолиз), образованием глюкозы из аминокислот (глюконеогенез) и взаимодействием с липидным обменом, особенно со свободными жирными кислотами плазмы, которые могут быть использованы многими тканями как альтернативный источник энергии относительно глюкозы.
Баланс глюкозы в плазме крови регулируется многочисленными и разнообразными факторами. Наиболее важными среди них являются следующие три группы:
- количество и характер пищи;
- инсулин и контринсулярные гормоны;
- уровень глюкозы в плазме и крови (гликемия).
Видео: pathophysiology of carbohydrate metabolism (Lecture). T.N.0 Alhendi. Part 1/2
После введения глюкозы через рот (перорально) происходит увеличение секреции инсулина. Последний способствует утилизации и депонированию глюкозы и препятствует несвоевременному подъему уровня глюкозы в плазме крови. Пероральное поступление глюкозы вызывает более значительную секрецию инсулина по сравнению с внутривенным введением такого же количества глюкозы. Этот феномен может быть обусловлен стимуляцией островков Лангерганса импульсами, возникающими в пищеварительном тракте и направляющимся затем по правому блуждающему нерву к в-клеткам поджелудочной железы. Полагают также, что освобождению инсулина содействуют кишечные гормоны (секретин, гастрин, холецистокинин-папкрсозимин и др.).
После всасывания глюкозы в кишечнике повышение ее уровня в крови (гиперглиемия) оказывает прямое стимулирующее влияние на секрецию инсулина. Одновременно гипергликемия тормозит процесс гликогенолиза в печени. Повышенная секреция инсулина и снижение гликогенолиза в печени при гипергликемии приводит к усиленному удалению глюкозы из циркуляции крови и установлению ее концентрации в нормальных пределах. Здесь уместно отметить, что при понижении уровня глюкозы в крови (гипогликемии) до определенных пределов возникают противоположные эффекты, а именно: секреция инсулина подавляется, а процесс гликогенолиза в печени усиливается, что приводит к восстановлению нормального уровня глюкозы в циркуляции крови. Таким образом, происходит ауторегуляция уровня глюкозы в крови по механизму обратной связи.
Инсулин способствует утилизации глюкозы в так называемых инсулин-зависимых тканях (скелетные и сердечная мышцы, жировая ткань, печень, корковый слой почек, лейкоциты). После всасывания 100 г глюкозы только 15% ее утилизируется инсулинзависимыми тканями. 25% глюкозы утилизируется при соответствующих потребностях в инсулиннезависимых тканях (нервная ткань, мозговой слой почек, кишечник, эритроциты). Остальные 55—60% удерживаются в печени, так как барьера для поступления глюкозы в печеночные клетки не существует. Печень в этом отношении стоит особняком: она «перехватывает» глюкозу из портальной вены и препятствует ее поступлению в системную циркуляцию крови. В печени глюкоза утилизируется для синтеза гликогена и триглицеридов.
Глюкоза, поступившая в клетки (в том числе в гепатоциты), фосфорилируется в результате реакции с АТФ с образованием глюкозо-6-фосфата. Фосфорилирование глюкозы катализируется двумя ферментами — инсулин-независимой гексокиназой и инсулин-зависимой глюкокиназой. Реакция образования глюкозо-6-фосфата является необратимой и сопровождается выделением энергии. Клеточные мембраны сравнительно плохо проницаемы для фосфорных эфиров гексоз и данная реакция как бы «запирает» глюкозу внутри клетки. Клетки, однако, не могут депонировать глюкозо-6- фосфат, который превращается в гликоген (в печени и скелетных мышцах) или в жирные кислоты нейтральных три глицеридов (в печени и жировой ткани). Именно гликоген и триглицериды представляют собой депонированные источники энергии.
После голодания в течение ночи, т. е. утром натощак печень и инсулинзависимые ткани (покоящиеся мышцы и жировая ткань) обнаруживают незначительное поглощение глюкозы. Инсулин-независимые ткани (мозг, эритроциты и др.) обнаруживают поглощение глюкозы с постоянной скоростью 150—200 г в сутки- уровень глюкозы в крови поддерживается метаболической активностью печени. Последняя содержит около 70 г гликогена, который может немедленно стать источником глюкозы путем гликогенолиза. Однако резерв гликогена в печени ограничен и снабжение глюкозой путем гликогенолиза продолжается менее суток. В последующем при голодании стимулируется синтез углеводов из неуглеводных источников — глюконеогенез. Главными источниками для глюкопсогенеза являются аминокислоты, глицерин и лактат. Спустя 2—3 суток от начала голодания глюконеогенез становится более важным процессом по сравнению с гликогенолизом. В конечном итоге сырьевым материалом для глюконеогенеза становится белок- это отражается на увеличении скорости экскреции азота уже на ранних этапах голодания.
Постоянная утилизация глюкозы происходит во всех тканях. Однако зависимость различных тканей от концентрации глюкозы в циркуляции крови неодинакова. Наибольшую зависимость испытывает головной и спинной мозг, для которых глюкоза — главный источник энергии. Сердечная мышца и почки обеспечивают свои энергетические потребности окислением ацетоацетата, поступающего из печени, и поэтому менее чувствительны к колебаниям уровня глюкозы в крови. Скелетные мышцы в состоянии покоя, подобно миокарду и почкам утилизируют ацетоацетат, который образуется в печени, из гликогена или жирных кислот. В сокращающихся скелетных мышцах окисление ацетоацетата увеличивается, однако главным источником энергии мышечного сокращения
является образование АТФ при быстрой утилизации депонированного гликогена, расщепляющегося до лактата. Процесс анаэробного гликолиза позволяет сокращающимся мышцам в течение некоторого времени сохранить относительную независимость от притока глюкозы из циркулирующей крови.
Инсулин.
Инсулин синтезируется в В-клетках островков Лангерганса в виде полипептидного предшественника — пронисулина, состоящего из А и В цепей, соединенных пептидным фрагментом (С-пептид) и двумя сульфидными группами. Под действием пептидаз средний сегмент (С-пептид) вырезается и удаляется из молекулы инсулина. Продукты этой реакции — инсулин и С-пептид накапливаются в гранулах В клеток и секретируются вместе в циркуляцию под влиянием соответствующих стимулов. Образование и секреция С-пептида используется для измерения функции В- клеток в условиях, когда нельзя определить содержание инсулина (например, у пациентом с сахарным диабетом, получающих экзогенный инсулин). Главным стимулом как для синтеза, так и для секреции инсулина является гипергликемия. Однако на освобождение инсулина оказывают влияние многие другие факторы. Стимуляторами секреции инсулина являются: соматотропин, глюкагон, кишечные гормоны, цАМФ, ряд аминокислот и жирных кислот, повышенная активность блуждающего нерва, сульфонилмочевина. Ингибиторами секреции инсулина являются: соматостатин, адреналин, норадреналин, голодание, гипоксия, гипотермия, ваготония. Следует, однако, помнить, что указанные стимулирующие и ингибирующие факторы вряд ли играют существенную роль в нормальном гомеостазе глюкозы.
Инсулин действует на клетки-мишени, связываясь со специфическими мембранными рецепторами. Введение инсулина вызывает быстрое снижение концентрации глюкозы в крови Под влиянием инсулина идет транспорт глюкозы из внеклеточного сектора в клетки мышечной, жировой и других тканей. Одновременно инсулин стимулирует синтез гликогена в мышцах и жирных кислот в печени и жировой ткани
Инсулин является мощным анаболическим гормоном: он способствует синтезу белка из аминокислот и ингибирует распад нейтрального жира (липолиз).
В печени под влиянием инсулина подавляется активность глюкозо-6-фосфаты, что приводит к уменьшению интенсивности гликогенолиза. Кроме того, способствуя синтезу белков из аминокислот, инсулин уменьшает процесс глюконеогенеза.
Общим эффектом влияния инсулина является понижение уровня глюкозы в крови. Поскольку полупериод жизни инсулина составляет 3—4 мин, постоянная и варьирующая секреции инсулина представляет собой главный регуляторный механизм, посредством которого уровень глюкозы в крови поддерживается в узких пределах.
Контринсулярные гормоны. Глюкагон. Глюкагон вырабатывается и секретируется А клетками островков Лангерганса. Главным стимулятором секреции глюкагона является гипогликемия, когда уровень глюкозы в крови падает ниже 4,5) ммоля/л (80 мг/100). Стимулирующим действием на освобождение глюкагона обладают также голодание, физические упражнения. Основное действие глюкагона заключается в повышении фосфорилазной активности и, следовательно, усилении гликогенолиза в печени. Результатом повышенного распада гликогена в печени под влиянием глюкагона является повышение концентрации глюкозы в крови, т. е. гипергликемия, Глюкагон, в отличие от адреналина, не стимулирует гликогенолиз в мышцах и не оказывает прямого влияния на процесс утилизации глюкозы тканями.
Адреналин.
Адреналин стимулирует гликогенолиз не только в печени, но и в скелетных мышцах. Гипергликемический эффект адреналина обусловлен также его ингибирующим действием па секрецию инсулина и уменьшением утилизации глюкозы скелетными мышцами. Кроме того, адреналин повышает глюконеогенез посредством стимуляции секреции кортикотропипа и адренокортикоидов.
Видео: нарушения углеводного обмена.
Соматотропин.
Соматотропин оказывает мощный стимулирующий эффект на островковые клетки, что может постепенно привести к истощению и атрофии В- клеток, угнетению оборазования и секреции инсулина и развитию гипергликемии. В то время как инсулин стимулирует утилизацию глюкозы тканями и способствует депонированию нейтрального жира, соматотропин прямым или косвенным путем оказывает на эти процессы противоположное действие. При совместном действии соматотропин и инсулин стимулируют синтез белка.
Глюкокортикоиды.
Глюкокортикоиды стимулируют глюконеогенез и гликогенолиз в печени, вызывая повышение уровня глюкозы в крови. Глюкокортикоиды вызывают также ингибирование синтеза белка и стимуляцию липолиза, что способствует усилению глюконеогенеза.
Тиреоидине гормоны.
Гормоны щитовидной железы также играют определенную роль в регуляции углеводного обмена посредством усиления гликогенолиза и повышения всасывания глюкозы в кишечнике. При определенных условиях (например, при инсулярной недостаточности) повышенная секреция тиреоидных гормонов может вызывать преходящую гипергликемию.
Половые гормоны.
Половые гормоны, оказывают выраженное влияние на уровень глюкозы в крови в условиях инсулярной недостаточности (например, после субтотальной панкреатэктомии). В этих условиях андрогены повышают, а эстрогены уменьшают частоту развития гипергликемии.
Таким образом, инсулин и контринсулярные гормоны играют важную роль в регуляции углеводного обмена, который тесно связан с обменом липидов и белков. Нарушений гормонального равновесия, которое обеспечивает нормальный гомеостаз глюкозы в крови и ее утилизацию тканями, приводят к расстройствам углеводного обмена. Наиболее типичным и важным среди этих расстройств является сахарный диабет.
