6 курс / Медицинская реабилитация, ЛФК, Спортивная медицина / Biokhimia_v_praktike_sporta_2018

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А.

Количество сахара в крови здоровых людей меняется с возрастом. К 15 годам оно достигает нормального для взрослого уровня.

Клиническое значение исследования глюкозы

Уровень глюкозы в крови регулируется центральной нервной системойи особенноеевысшимотделом– коройголовногомозга. Наряду с ЦНС важное влияние на содержание глюкозы в крови оказываютгормональныефакторыи состояниефункциипечени.

При целом ряде состояний можно наблюдать повышение содержаниясахарав крови– гипергликемию, а такжепонижение концентрации сахара– гипогликемию.

Гипергликемия является довольно частым симптомом при различныхзаболеваниях, преждевсегосвязанныхс поражением эндокринной системы.

Резкое повышение содержания глюкозы в крови отмечается при сахарном диабете, возникающем в результате недостаточной продукции инсулина, обеспечивающего, с одной стороны, нормальную проницаемость клеточных мембран по отношению к глюкозе, с другой– регулирующего активность и синтез ряда ферментов углеводного обмена.

Установлено, что инсулин индуцирует синтез ферментов гликолиза (гексокиназы, фосфофруктокиназы, пируваткиназы). Инсулинявляетсятакжеиндукторомсинтезагликогенсинтетазы.

С другой стороны, известно, что глюкокортикоиды– индукторы синтеза ключевых ферментов глюконеогенеза (ключевыми ферментамиглюконеогенезаназываютэнзимы, катализирующие реакции обхода необратимых реакций гликолиза), а инсулин– супрессор их синтеза.

При инсулярной недостаточности и при сохранении или даже повышении инкреции кортикостероидов (в частности, при диабете) устранение супрессирующего влияния инсулина приводит к повышению синтеза и концентрации ключевых ферментов глюконеогенеза, особенно фосфоенолпируват-кар- боксикиназы – фермента, который определяет возможность и скорость глюконеогенеза в печени и почках.

Гипергликемияможетвозникнутьнетолькопризаболевании поджелудочной железы, но и в результате расстройств функции других эндокринных желез, участвующих в регуляции углеводного обмена.

100

III. Биохимические показатели

Применяют и многократное исследование уровня глюкозы после нагрузки моносахаридами– так называемые «сахарные» кривые. При оценке сахарных кривых обращают внимание на время максимального подъема, высоту этого подъема и время возврата концентрации глюкозы к исходному уровню.

Глюкозурия. Присутствие глюкозы в моче. Важно определение глюкозы в моче до, во время и после физической нагрузки. Является результатом расстройства углеводного обмена на почве изменений в поджелудочной железе: сахарный диабет, острый панкреатит и т. д. Реже встречается глюкозурия почечного происхождения, связанная с недостаточностью резобции глюкозы в почечных канальцах. Такого рода глюкозурия не сопровождается гипергликемией. Как временное явление глюкозурия может появляться при некоторых острых инфекционных заболеваниях, нервных заболеваниях, сотрясении головного мозга.

Необходимо помнить о глюкозурии алиментарного происхождения, глюкозурии на почве нервных стрессовых состояний (эмоциональная глюкозурия) и глюкозурии беременных.

Определение сахара в моче

Моча здорового человека содержит минимальное количество глюкозы, которое не обнаруживается обычными методами, применяемыми в клинико-диагностических лабораториях, при целом ряде патологических состояний концентрация сахара в моче увеличивается. В этих случаях для клиники имеет значение как качественное, так и количественное его определение.

Фруктоза

Вкрови у здорового человека содержание фруктозы составляет 0,1–0,5 мг/100 мл, т. е. концентрация фруктозы в крови незначительна. В сыворотке содержание фруктозы (референтные пределы) – 1–6 мг/100 мл или 55,5–333 мкмоль/л.

Существуют врожденные аномалии обмена фруктозы. Так, эссенциальная фруктозурия связана с врожденным недостатком кетогексокиназы, т. е. не образуется фруктозо-1-фосфат.

Врезультате метаболизм фруктозы возможен только путем фосфорилирования до фруктозо-6-фосфата, но эта реакция тормозится глюкозой. И как следствие– фруктоза накапливается в крови и появляется в моче (фруктозурия). Почечный порог для

101

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А.

фруктозы очень низок, поэтому фруктозурия уже обнаруживается при концентрациифруктозы в крови 15 мг/100 мл. Сахароза (сахар) в кишечнике расщепляется на глюкозу и фруктозу.

Известна также наследственная непереносимость фруктозы или врожденная повышенная чувствительность к фруктозе.

Галактоза

В норме в сыворотке крови содержится 0,1–0,94 мкмоль галактозы. Основным источником галактозы является лактоза пищи, которая в пищеварительном тракте расщепляется до галактозы и глюкозы. В тканях организма обмен галактозы начинается с превращения ее в галактозо-1-фосфат. Эта реакция катализируется галактокиназой с участием АТФ. Далее при участии специфическихферментовпереходитв глюкозо-6-фосфати затем окисляется либо дает свободную глюкозу.

Положительный результат на галактозу в крови и моче указывает на нарушение функции печени.

Гликоген

Содержание гликогена в цельной крови взрослого человека составляет 11,7–20,6 мг/100 мл. Концентрация гликогена в крови у детейнижеи колеблетсяв пределах7,5–11,7 мг/100 мл. Следует отметить, что особенно много гликогена в лейкоцитах, поэтому и наблюдается увеличение содержания гликогена в цельной крови при лейкоцитозах любого происхождения.

Благодаря способности к отложению гликогена (главным образом в печени и мышцах и в меньшей степени в других органах и тканях) создаются условия накопления некоторого резерва углеводов. При повышении энергетических затрат в организме в результате возбужденияцентральнойнервной системыобычно происходит усиление распада гликогена.

Помимо непосредственной передачи нервных импульсов к эффекторныморганами тканямпривозбуждениицентральной нервной системы повышается функция ряда желез внутренней секреции (щитовидная железа, мозговой слой надпочечников, гипофиз и др.), гормоны которых активируют распад гликогена, прежде всего в печени и мышцах.

Повышенное расщепление гликогена и нарушение его образования часто сочетаются.

102

III. Биохимические показатели

Заслуживают внимания факторы, влияющие на обмен гликогена:

— увеличиваетсинтезгликогенавтканяхбогатаяуглеводами пища, особенно содержащая много фруктозы;

— увеличивает синтез гликогена инсулин благодаряактивированию транспорта глюкозы внутрь мышечных и печеночных клеток, и, кроме того, инсулин индуцирует синтез гликогенсинтетазы;

— предохраняют от разрушения печеночный гликоген гормоны коры надпочечников (глюкокортикоиды), благодаря образованию глюкозы за счет усиления процесса глюконеогенеза;

— тормозят распад печеночного гликогена соматотропный гормон и некоторые другие гормоны гипофиза путем стимулирования белкового и жирового обменов;

— адреналиниглюкагон, активируяфосфорилазу, усиливают распад гликогена до глюкозо-1-фосфата; при этом считается, что адреналин активирует как печеночную, так и мышечную фосфорилазу, а глюкагон действует только на печеночную фосфорилазу;

— ускоряет всасывание глюкозы в кишечнике гормон щитовидной железы– тироксин;

— увеличиваетсяколичествогликогенавклеткахэпидермиса под влиянием прогестерона.

Диагностическоезначениеконцентрациигликогена. Содер-

жание гликогена в крови отчетливо изменяется при поражении печени. Например, при острых гепатитах у детей уровень гликогена в крови понижается как в плазме, так и в форменных элементах. При острых и хронических гепатитах у взрослых, наоборот, наблюдаетсяповышениесодержаниягликогенавкрови. Четкого объяснения этого факта пока нет.

Содержание гликогена в крови повышается также при пече- ночно-селезеночных синдромах, диабете и злокачественных новообразованиях. Какужеотмечалось, лейкоцитыбогатыгликогеном, поэтому при ряде инфекционныхзаболеваний и болезней крови, когда имеет место высокий лейкоцитоз, концентрация гликогена в крови повышается. Кроме того, существует целый ряд наследственных болезней, которые связаны с нарушением обменагликогена. В этихслучаяхтакженаблюдаютсяизменения концентрации гликогена в крови.

103

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А.

Молочная кислота – лактат (La)

Молочная кислота– конечный продукт анаэробного гликолиза

игликогенолиза. Концентрация молочной кислоты в крови здорового человека при мышечном покое колеблется в пределах:

– венозная кровь– 0,9–1,7 ммоль/л;

– артериальная кровь– 1,3 ммоль/л.

Увеличениеконцентрациимолочнойкислотыв кровисвязано:

– с усилением продукции ее в мышцах,

– понижением способности печени превращать молочную кислоту в глюкозу и гликоген.

Значительное количество молочной кислоты образуется в мышцах. Содержание молочной кислоты резко увеличивается в крови при интенсивной мышечной работе (в 5–10 раз по сравнению с нормой). Из мышечной ткани молочная кислота с током крови поступает в печень.

Кроме того, часть молочной кислоты из крови поглощается сердечной мышцей, где она может служить энергетическим материалом.

Чаще повышение концентрации молочной кислоты в крови сопровождаетсяуменьшениемщелочныхрезервови увеличением количества аммиака в крови.

Молочная кислота является субстратом глюконеогенеза.

Диагностическое значение молочной кислоты в крови. При патологических состояниях, сопровождающихся усиленными мышечнымисокращениями, можетнаблюдатьсяповышениеконцентрации лактатав крови. Увеличение концентрациимолочной кислотывкровиможнотакженаблюдатьпригипоксии(сердечной

илегочной недостаточности, анемиях и др.), злокачественных новообразованиях, при остром гепатите.

Вспортивной физиологии определение молочной кислоты служит критерием физической нагрузки в спорте.

Пировиноградная кислота (пируват)

Пировиноградная кислота– один из центральных метаболитов углеводного обмена. Отражает степень ишемии тканей.

Образуется:

– в процессе распада глюкозы и гликогена в тканях;

– при окислении молочной кислоты;

– в результате превращений ряда аминокислот.

104

III. Биохимические показатели

Из пировиноградной кислоты (при окислительном декарбоксилировании) образуется ацетил-КоА, который вступает в цикл Кребса.

Пировиноградная кислота является одним из основных субстратов глюконеогенеза.

Пируват в крови

В основном все факторы, вызывающие повышение содержания молочной кислоты, как правило, приводят и к увеличению концентрации пировиноградной кислоты в крови.

Наиболеерезкоеповышениеконцентрациипировиноградной кислотыотмечаетсяпримышечнойработеи В1-витаминнойнедо- статочности. При больших физических нагрузках концентрация пировиноградной кислоты может повышаться до 570 ммоль/л.

Норма: венозная кровь натощак– 34–103 ммоль/л.

Вклинической практике повышение содержания пировиноградной кислоты в крови отмечается при паренхиматозных заболеваниях печени, сахарном диабете, сердечной декомпенсации, токсикозах и некоторых других заболеваниях.

Вспортивной практике повышение содержания пировиноградной кислоты в крови происходит при значительной физическойнагрузке. Ноприопеделенииуровняинтенсивностинагрузки предпочитают использовать показатели молочной кислоты.

3.5.2. Биохимия углеводного обмена

Метаболизм углеводов в организме человека складывается

восновном из следующих процессов.

1.Расщепление в желудочно-кишечном тракте поступающих с пищей полисахаридов и дисахаридов до моносахаридов. Всасывание моносахаридов из кишечника в кровь.

Углеводы пищи в результате многочисленных реакций

вкишечнике распадаются на составляющие их моносахариды (преимущественно глюкозу, фруктозу и галактозу), которые всасываются кишечной стенкой, а затем попадают в кровь. Скорость всасывания отдельных моносахаридов различна. Глюкоза и галактоза всасываются быстрее, чем другие моносахариды.

Свыше 90% всосавшихся моносахаридов (главным образом глюкозы) через капилляры кишечных ворсинок попадает

вкровеносную систему и с током крови через воротную вену доставляется прежде всего в печень. Остальное количество

105

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А.

моносахаридов поступает по лимфатическим путям в венозную систему. В печени значительная часть всосавшейся глюкозы превращается в гликоген, который откладывается в печеночных клетках в виде гранул.

2. Синтез и распад гликогена в тканях.

Гликоген прежде всего накапливается в печени (до 6% от массы печени) и в скелетных мышцах, где его содержание редко превышает 1%. В целом же запасы гликогена в скелетных мышцах, ввидуихзначительнобольшеймассы, превышаютегозапасы

впечени. Гликоген присутствует в цитозоле в форме гранул. Синтез и распад гликогена в клетке осуществляется разными метаболическими путями. Оба эти процесса (синтез и распад гликогена) регулируют содержание глюкозы в крови и создают резерв глюкозы для интенсивной мышечной работы.

При синтезе гликогена глюкоза прежде всего подвергается фосфорилированию при участии фермента гексокиназы,

впечени– и глюкокиназы. Далееглюкозо-6-фосфатподвлиянием фермента фосфоглюкомутазы переходит в глюкозо-1-фосфат. Образовавшийся глюкозо-1-фосфат уже непосредственно вовлекается в синтез гликогена.

Благодаря способности к отложению гликогена (главным образом в печени и мышцах, и в меньшей степени в других органах и тканях) создаются условия для накопления в норме некоторого резерва углеводов.

Гликогенолиз(распадгликогена). Процессанаэробногораспада гликогена получил название гликогенолиза. Вовлечение ∆-глю- козных единиц гликогена в процессе гликолиза происходит при участии двух ферментов– фосфорилазы-а и фосфоглюкомутазы. Образовавшийся в результате фосфоглюкомутазной реакции глюкозо-6-фосфат может включаться в процесс гликолиза.

После образования глюкозо-6-фосфата дальнейшие пути гликолиза и гликогенолиза полностью совпадают.

Впроцессе гликогенолиза в виде макроэргических соединений накапливаются не две, а три молекулы АТФ (не тратится АТФ на образование глюкозо-6-фосфата). На первый взгляд, энергетическая эффективность гликогенолиза выглядит более выгоднойпосравнениюс процессомгликолиза, ноэтаэффективность реализуется только при наличии активной фосфорилазы, а в процессе активации расходуется АТФ.

106

III. Биохимические показатели

При повышении энерготрат в организме в результате возбуждения ЦНС обычно происходит усиление распада гликогена и образование глюкозы. Известно, что при возбуждении ЦНС повышаютсяфункциирядажелезвнутреннейсекреции(мозговое вещество надпочечников, щитовидная железа, гипофиз и др.), гормоны которых активируют распад гликогена, прежде всего в печени и мышцах.

Известно, что фосфоролитический распад гликогена играет ключевую роль в мобилизации полисахаридов. Фосфорилазы переводят полисахариды (в частности, гликоген) из запасной формыв метаболическиактивнуюформу; в присутствиифосфорилазы гликоген распадается с образованием фосфорного эфира глюкозы(глюкозо-1-фосфата) безпредварительногорасщепления на более крупные обломки молекулы полисахарида.

Впроцессе распада гликогена принимает участие циклический аденозинмонофосфат (цАМФ).

Цикл трикарбоновыхкислот(цикл Кребса). Начинается цикл

сконденсации ацетил-КоА с оксалоацетатом и образования лимонной кислоты (цитрата). Затем лимонная кислота (шестиуглеродное соединение) путем ряда дегидрирований (отнятие

водорода) и двухдекарбоксидирований (отщепление СО2) теряет два углеродных атома и снова в цикле Кребса превращается в оксалоацетат(четырехуглеродноесоединение), т. е. в результате полного оборота цикла одна молекула ацетил-КоА сгорает до

СО2 и Н2О. Молекула оксалоацетата регенерируется.

3. Расщепление глюкозы (гликолиз).

Понятие «гликолиз» означает расщепление глюкозы. Имеет широкоезначениеи используетсядляописанияраспадаглюкозы, проходящего как в присутствии кислорода («аэробный глико-

лиз» – завершается образованием СО2 и Н2О), так и в отсутствие («анаэробный гликолиз» – завершается образованием молочной кислоты).

Втканях существуют два основные пути распада глюкозы:

— анаэробный путь гликолиза и аэробный путь прямого

окисления глюкозы;

— пентозофосфатный путь (пентозный цикл).

Гликолиз– не только главный путь утилизации глюкозы в клетках, но и уникальный путь, поскольку он может использовать кислород, если последний доступен в достаточном

107

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А.

количестве (аэробные условия), но может протекать и в отсутствии кислорода (анаэробные условия).

Анаэробныйгликолиз– сложныйферментативныйпроцессраспада глюкозы, протекающий в тканях человека без потребления кислорода. Конечным продуктом гликолиза является молочная кислота. В процессе гликолиза образуется АТФ. Суммарное уравнение гликолиза можно изобразить следующим образом:

С6Н12О6 + 2 АДФ+ 2 Фн	→2 СН3СН(ОН) СООН+ 2 АТФ+ 2 Н2О
Глюкоза	Молочная кислота

Ванаэробных условиях гликолиз– единственный процесс

ворганизме, поставляющийэнергию. Именноблагодаряпроцессу гликолиза организм человека определенный период времени может осуществлять ряд физиологических функций в условиях недостаточности кислорода. Последовательность реакций анаэробного гликолиза, так же как и их промежуточные продукты, хорошо изучены. Процесс гликолиза катализируется одиннадцатью ферментами.

Конечным продуктом гликолиза является молочная кислота, которая образуется в результате восстановления пировиноградной кислоты при участии ЛДГ и НАДН:

ЛДГ

пировиноградная кислота + НАДН + Н+ ↔ кислота молочная + НАД

Биологическое значение гликолиза прежде всего заключается в образовании богатых энергией фосфорных соединений. Известно, что изменение свободной энергии при расщеплении глюкозы до двух молекул молочной кислоты составляет около 50 ккал/моль:

С6Н12О6	→ 2С3Н6О3 + 50 ккал
Глюкоза	Молочная кислота

Из этого количества энергии около 30 ккал рассеивается в виде тепла, а 20 ккал накапливается в форме богатых энергией фосфатных связей АТФ. В целом в процессе гликолиза образуются 2 молекулы АТФ. Изображается в виде следующего уравнения:

Глюкоза + 2 мол АДФ + 2 мол Н3РО4 → → 2 мол лактата + 2 мол АТФ + 2 мол Н2О

108

III. Биохимические показатели

Пентозофосфатный путь окисления углеводов.

Расхождение путей окисления углеводов – классического (цикл трикарбоновых кислот Кребса) и пентозофосфатного – начинается со стадии образования гексозомонофосфата. Активность пентозофосфатного цикла относительно высока в печени, надпочечниках. Значение этого пути в обмене веществ велико. Он поставляет восстановленный никотинаденилдифосфат Н+ (НАДФН), необходимый для биосинтеза жирных кислот, холестерина и т. д. За счет пентозофосфатного цикла примерно на 50% покрывается потребность организма в НАДФН.

Вторая функция пентозофосфатного цикла заключается

втом, что он поставляет пентозофосфаты для синтеза нуклеиновых кислот и многих коферментов. При ряде патологических состояний удельный вес пентозофосфатного пути окисления глюкозы возрастает.

Есть основание считать, что пентозофосфатный путь и гликолиз, протекающие в цитозоле, взаимосвязаны и способны переключаться друг на друга в зависимости от соотношения концентраций промежуточных продуктов, образовавшихся

вклетке.

4.Взаимопревращение гексоз.

5.Аэробный метаболизм пирувата.

Этот процесс выходит за рамки углеводного обмена, однако может рассматриваться как завершающая его стадия: окисление продукта гликолиза– пирувата.

Клетки, недостаточно снабжаемые кислородом, могут частичноилиполностьюсуществоватьзасчетэнергиигликолиза. Однако подавляющее большинство клеток в норме находятся

ваэробных условиях и свое органическое «топливо» окисляют

полностью до СО2 и Н2О. В этих условиях пируват, образовавшийся при расщеплении глюкозы, не восстанавливается до лак-

тата, а постепенно окисляется до СО2 и Н2О в аэробной стадии катаболизма. При этом первоначально происходит окислительное декарбоксилирование пирувата в матриксе митохондрий с образованиемацетил-КоА, которыйподвергаетсядальнейшему

окислению с образованием в конечном счете СО2 и Н2О. Полное окислениеацетил-КоАпроисходитвциклетрикарбоновыхкислот (цикл Кребса, цикл лимонной кислоты). Этот процесс, так же каки окислительноедекарбоксилированиепирувата, происходит

вмитохондриях клеток.

109