Обмен клетки с внешней средой различными веществами и энергией является жизненно необходимым условием ее существования.
Для поддержания постоянства химического состава и свойств цитоплазмы в условиях, когда имеют место существенные различия химического состава и свойств внешней среды и цитоплазмы клетки, должны существовать специальные транспортные механизмы , избирательно перемещающие вещества через .
В частности, клетки должны располагать механизмами доставки кислорода и питательных веществ из среды существования и удаления в нее метаболитов. Градиенты концентраций различных веществ существуют не только между клеткой и внешней средой, но и между органеллами клетки и цитоплазмой, и транспортные потоки веществ наблюдаются между различными отсеками клетки.
Особое значение для восприятия и передачи информационных сигналов имеет поддержание трансмембранной разности концентраций минеральных ионов Na + , К + , Са 2+ . Клетка затрачивает на поддержание концентрационных градиентов этих ионов существенную часть своей метаболической энергии. Запасаемая в ионных градиентах энергия электрохимических потенциалов обеспечивает постоянную готовность плазматической мембраны клетки отвечать на воздействие раздражителей. Поступление кальция в цитоплазму из межклеточной среды или из клеточных органелл обеспечивает ответ многих клеток на гормональные сигналы, контролирует выделение нейромедиаторов в , запускает .
Рис. Классификация типов транспорта
Для понимания механизмов перехода веществ через клеточные мембраны необходимо учитывать как свойства этих веществ, так и свойства мембран. Транспортируемые вещества различаются молекулярной массой, переносимым зарядом, растворимостью в воде, липидах и рядом других свойств. Плазматическая и другие мембраны представлены обширными участками липидов, через которые легко диффундируют жирорастворимые неполярные вещества и не проходят вода и водорастворимые вещества полярной природы. Для трансмембранного перемещения этих веществ необходимо наличие специальных каналов в клеточных мембранах. Транспорт молекул полярных веществ затрудняется при увеличении их размеров и заряда (в этом случае требуются дополнительные механизмы переноса). Перенос веществ против концентрационных и других градиентов также требует участия специальных переносчиков и затрат энергии (рис. 1).
Рис. 1. Простая, облегченная диффузия и активный транспорт веществ через мембраны клеток
Для трансмембранного перемещения высокомолекулярных соединений, надмолекулярных частиц и компонентов клеток, не способных проникать через мембранные каналы, используются особые механизмы — фагоцитоз, пиноцитоз, экзоцитоз, перенос через межклеточные пространства. Таким образом, трансмембранное перемещение различных веществ может осуществляться с использованием разных способов, которые принято подразделять по признакам участия в них специальных переносчиков и энергозатратам. Существуют пассивный и активный транспорт через мембраны клетки.
Пассивный транспорт — перенос веществ через биомембрану по градиенту (концентрационный, осмотический, гидродинамический и т.д.) и без расхода энергии.
Активный транспорт — перенос веществ через биомембрану против градиента и с расходом энергии. У человека 30- 40 % всей энергии, образующейся в ходе метаболических реакций, расходуется на этот вид транспорта. В почках 70-80 % потребляемого кислорода идет на активный транспорт.
Пассивный транспорт веществ
Под пассивным транспортом понимают перенос вещества через мембраны по различного рода градиентам (электрохимического потенциала, концентрации вещества, электрического поля, осмотического давления и др.), не требующий непосредственной затраты энергии на его осуществление. Пассивный транспорт веществ может происходить посредством простой и облегченной диффузии. Известно, что под диффузией понимают хаотические перемещения частиц вещества в различных средах, обусловленные энергией его тепловых колебаний.
Если молекула вещества электронейтральна, то направление диффузии этого вещества будет определяться лишь разностью (градиентом) концентраций вещества в средах, разделенных мембраной, например вне и внутри клетки или между ее отсеками. Если молекула, ионы вещества несут на себе электрический заряд, то на диффузию будут оказывать влияние как разность концентраций, величина заряда этого вещества, так и наличие и знак зарядов на обеих сторонах мембраны. Алгебраическая сумма сил концентрационного и электрического градиентов на мембране определяет величину электрохимического градиента.
Простая диффузия осуществляется за счет наличия градиентов концентрации определенного вещества, электрического заряда или осмотического давления между сторонами клеточной мембраны. Например, среднее содержание ионов Na+ в плазме крови составляет 140 мМ/л, а в эритроцитах — приблизительно в 12 раз меньше. Эта разность концентрации (градиент) создает движущую силу, которая обеспечивает переход натрия из плазмы в эритроциты. Однако скорость такого перехода малая, так как мембрана имеет очень низкую проницаемость для ионов Na + . Гораздо больше проницаемость этой мембраны для калия. На процессы простой диффузии не затрачивается энергия клеточного метаболизма.
Скорость простой диффузии описывается уравнением Фика:
dm/dt = -kSΔC/x,
гдеdm / dt - количество вещества, диффундирующее за единицу времени; к - коэффициент диффузии, характеризующий проницаемость мембраны для диффундирующего вещества;S - площадь поверхности диффузии; ΔС — разность концентраций вещества по обе стороны мембраны; х — расстояние между точками диффузии.
Из анализа уравнения диффузии ясно, что скорость простой диффузии прямо пропорциональна градиенту концентрации вещества между сторонами мембраны, проницаемости мембраны для данного вещества, площади поверхности диффузии.
Очевидно, что наиболее легко перемещаться через мембрану путем диффузии будут те вещества, диффузия которых осуществляется и по градиенту концентраций, и по градиенту электрического поля. Однако важным условием для диффузии веществ через мембраны являются физические свойства мембраны и, в частности, ее проницаемость для вещества. Например, ионы Na+, концентрация которого выше вне клетки, чем внутри ее, а внутренняя поверхность плазматической мембраны заряжена отрицательно, должны были бы легко диффундировать внутрь клетки. Однако скорость диффузии ионов Na+ через плазматическую мембрану клетки в покое ниже, чем ионов К+, который диффундирует по концентрационному градиенту из клетки, так как проницаемость мембраны в условиях покоя для ионов К+ выше, чем для ионов Na+.
Поскольку углеводородные радикалы фосфолипидов, формирующих бислой мембраны, обладают гидрофобными свойствами, то через мембрану могут легко диффундировать вещества гидрофобной природы, в частности легко растворимые в липидах (стероидные, тиреоидные гормоны, некоторые наркотические вещества и др.). Низкомолекулярные вещества гидрофильной природы, минеральные ионы диффундируют через пассивные ионные каналы мембран, формируемые каналообразующими белковыми молекулами, и, возможно, через дефекты упаковки в мембране фосфолииидных молекул, возникающие и исчезающие в мембране в результате тепловых флуктуаций.
Диффузия веществ в тканях может осуществляться не только через мембраны клеток, но и через другие морфологические структуры, например из слюны в дентинную ткань зуба через его эмаль. При этом условия для осуществления диффузии остаются теми же, что и через клеточные мембраны. Например, для диффузии кислорода, глюкозы, минеральных ионов из слюны в ткани зуба их концентрация в слюне должна превышать концентрацию в тканях зуба.
В нормальных условиях проходить в значительных количествах через фосфолипидный бислой путем простой диффузии могут неполярные и небольшие по размерам электронейтральные полярные молекулы. Транспорт существенных количеств других полярных молекул осуществляется белками-переносчиками. Если для трансмембранного перехода вещества необходимо участие переносчика, то вместо термина «диффузия» часто используют термин транспорт вещества через мембрану.
Облегченная диффузии , так же, как и простая «диффузия» вещества, осуществляется по градиенту его концентрации, но в отличие от простой диффузии в переносе вещества через мембрану участвует специфическая белковая молекула — переносчик (рис. 2).
Облегченная диффузия — это вид пассивного переноса ионов через биологические мембраны, который осуществляется по градиенту концентрации с помощью переносчика.
Перенос вещества с помощью белка-переносчика (транспортера) основан на способности этой белковой молекулы встраиваться в мембрану, пронизывая ее и формируя каналы, заполненные водой. Переносчик может обратимо связываться с переносимым веществом и при этом обратимо изменять свою конформацию.
Предполагается, что белок-переносчик способен находиться в двух конформационных состояниях. Например, в состоянии а этот белок обладает сродством с переносимым веществом, его участки для связывания вещества повернуты внутрь и он формирует пору, открытую к одной из сторон мембраны.
Рис. 2. Облегченная диффузия. Описание в тексте
Связавшись с веществом, белок-переносчик изменяет свою конформацию и переходит в состояние 6 . При этом конформационном превращении переносчик теряет сродство с переносимым веществом, оно высвобождается из связи с переносчиком и оказывается перемещенным в пору на другой стороне мембраны. После этого белок снова совершает возврат в состояние а. Такой перенос вещества белком-транспортером через мембрану называют унипортом.
Посредством облегченной диффузии могут транспортироваться такие низкомолекулярные вещества, как глюкоза, из интерстициальных пространств в клетки, из крови в мозг, реабсорбироваться некоторые аминокислоты и глюкоза из первичной мочи в кровь в почечных канальцах, всасываться из кишечника аминокислоты, моносахариды. Скорость транспорта веществ путем облегченной диффузии может достигать до 10 8 частиц за секунду через канал.
В отличие от скорости переноса вещества простой диффузией, которая прямо пропорциональна разности его концентраций по обе стороны мембраны, скорость переноса вещества при облегченной диффузии возрастает пропорционально увеличению разности концентраций вещества до некоторого максимального значения, выше которого она не увеличивается, несмотря на повышение разности концентраций вещества по обе стороны мембраны. Достижение максимальной скорости (насыщение) переноса в процессе облегченной диффузии объясняется тем, что при максимальной скорости в перенос оказываются вовлеченными все молекулы белков-переносчиков.
Обменная диффузия — при этом виде транспорта веществ может происходить обмен молекулами одного и того же вещества, находящимися по разные стороны мембраны. Концентрация вещества с каждой стороны мембраны остается при этом неизменной.
Разновидностью обменной диффузии является обмен молекулы одного вещества на одну или более молекул другого вещества. Например, в гладкомышечных клетках сосудов и бронхов, в сократительных миоцитах сердца одним из путей удаления ионов Са 2+ из клеток является обмен их на внеклеточные ионы Na+. На три иона входящего Na+ из клетки удаляется один ион Са 2+ . Создается взаимообусловленное (сопряженное) движение Na+ и Са 2+ через мембрану в противоположных направлениях (этот вид транспорта называют антипортом). Таким образом клетка освобождается от избыточного количества ионов Са 2+ , что является необходимым условием для расслабления гладких миоцитов или кардиомиоцитов.
Активный транспорт веществ
Активный транспорт веществ через — это перенос веществ против их градиентов, осуществляющийся с затратой метаболической энергии. Этот вид транспорта отличается от пассивного тем, что перенос осуществляется не по градиенту, а против градиентов концентрации вещества и на него используется энергия АТФ или другие виды энергии, на создание которых АТФ затрачивалась ранее. Если непосредственным источником этой энергии является АТФ, то такой перенос называют первично-активным. Если на перенос используется энергия (концентрационных, химических, электрохимических градиентов), ранее запасенная за счет работы ионных насосов, затративших АТФ, то такой транспорт называют вторично-активным, а также сопряженным. Примером сопряженного, вторично-активного транспорта являются абсорбция глюкозы в кишечнике и ее реабсорбция в почках с участием ионов Na и переносчиков GLUT1.
Благодаря активному транспорту могут преодолеваться силы не только концентрационного, но и электрического, электрохимического и других градиентов вещества. В качестве примера работы первично-активного транспорта можно рассмотреть работу Na+ -, К+ -насоса.
Активный перенос ионов Na + и К+ обеспечивается белком- ферментом — Na+ -, К+ -АТФ-азой, способной расщеплять АТФ.
Белок Na К -АТФ-аза содержится в цитоплазматической мембране практически всех клеток организма, составляя 10% и более от общего содержания белка в клетке. На работу этого насоса тратится более 30% всей метаболической энергии клетки. Na + -, К+ -АТФ-аза может находиться в двух конформационных состояниях — S1 и S2. В состоянии S1 белок обладает сродством с ионом Na и 3 иона Na присоединяются к трем высокоаффинным местам его связывания, повернутым внутрь клетки. Присоединение иона Na" стимулирует АТФ-азную активность, и в результате гидролиза АТФ Na+ -, К+ -АТФ-аза фосфорилируется за счет переноса на нее фосфатной группы и осуществляет конформационный переход из состояния S1 в состояние S2 (рис. 3).
В результате изменения пространственной структуры белка места связывания ионов Na поворачиваются на внешнюю поверхность мембраны. Аффинность мест связывания к ионам Na+ резко уменьшается, и он, высвободившись из связи с белком, оказывается перенесенным во внеклеточное пространство. В конформационном состоянии S2 повышается аффинность центров Na+ -, К-АТФ-азы к ионам К и они присоединяют два иона К из внеклеточной среды. Присоединение ионов К вызывает дефосфорилирование белка и его обратный конформационный переход из состояния S2 в состояние S1. Вместе с поворотом центров связывания на внутреннюю поверхность мембраны два иона К высвобождаются из связи с переносчиком и оказываются перенесенными внутрь. Подобные циклы переноса повторяются со скоростью, достаточной для поддержания в покоящейся клетке неодинакового распределения ионов Na+ и К+ в клетке и межклеточной среде и, как следствие, поддержания относительно постоянной разности потенциалов на мембране возбудимых клеток.
Рис. 3. Схематическое представление работы Na+ -, К + -насоса
Вещество строфантин (оуабаин), выделяемое из растения наперстянка, обладает специфической способностью блокировать работу Na + -, К+ — насоса. После его введения в организм в результате блокады выкачивания иона Na+ из клетки наблюдаются снижение эффективности работы Na+ -, Са 2 -обменного механизма и накопление в сократительных кардиомиоцитах ионов Са 2+ . Это ведет к усилению сокращения миокарда. Препарат применяется для лечения недостаточности насосной функции сердца.
Кроме Na"-, К + -АТФ-азы имеются еще несколько типов транспортных АТФ-аз, или ионных насосов. Среди них насос, осуществляющий транспорт прогонов водорода (митохондрии клеток, эпителий почечных канальцев, париетальные клетки желудка); кальциевые насосы (пейсмекерные и сократительные клетки сердца, мышечные клетки поперечно-полосатой и гладкой мускулатуры). Например, в клетках скелетных мышц и миокарда белок Са 2+ -АТФ-аза встроен в мембраны саркоплазматического ретикулума и благодаря его работе обеспечивается поддержание высокой концентрации ионов Са 2+ в его внутриклеточных хранилищах (цистерны, продольные трубочки саркоплазматического ретикулума).
В некоторых клетках силы трансмембранной разности электрических потенциалов и градиента концентрации натрия, возникающие в результате работы Na+-, Са 2+ -насоса, используются для осуществления вторично-активных видов переноса веществ через клеточную мембрану.
Вторично-активный транспорт характеризуется тем, что перенос вещества через мембрану осуществляется за счет градиента концентрации другого вещества, который был создан механизмом активного транспорта с затратой энергии АТФ. Различают две разновидности вторично активного транспорта: симпорт и антипорт.
Симпортом называют перенос вещества, который сопряжен с одновременным переносом другого вещества в том же направлении. Симпортным механизмом переносятся йод из внеклеточного пространства в тиреоциты щитовидной железы, глюкоза и аминокислоты при их всасывании из тонкой кишки в энтероциты.
Антипортом называют перенос вещества, который сопряжен с одновременным переносом другого вещества, но в обратном направлении. Примером антипортного механизма переноса является работа упоминавшегося ранее Na + -, Са 2+ — обменника в кардиомиоцитах, К+ -, Н+ -обменного механизма в эпителии почечных канальцев.
Из приведенных примеров видно, что вторично-активный транспорт осуществляется за счет использования сил градиента ионов Na+ или ионов К+. Ион Na+ или ион К перемещается через мембрану в сторону его меньшей концентрации и тянет за собой другое вещество. При этом обычно используется встроенный в мембрану специфический белок-переносчик. Например, транспорт аминокислот и глюкозы при их всасывании из тонкого кишечника в кровь происходит благодаря тому, что белок-переносчик мембраны эпителия кишечной стенки связывается с аминокислотой (глюкозой) и ионом Na+ и только тогда изменяет свое положение в мембране таким образом, что переносит аминокислоту (глюкозу) и ион Na+ в цитоплазму. Для осуществления такого транспорта необходимо, чтобы снаружи клетки концентрация иона Na+ была гораздо больше, чем внутри, что обеспечивается постоянной работой Na+, К+ — АТФ-азы и затратой метаболической энергии.
При использовании углеводов, как впрочем и других веществ, перед организмом стоит две задачи – всасывание из кишечника в кровь и транспорт из крови в клетки тканей. В любом случае необходимо преодолевать мембрану.
Транспорт моносахаров через мембраны
Всасывание в кишечнике
После переваривания крахмала и гликогена, после расщепления дисахаридов в полости кишечника накапливается глюкоза и другие моносахариды, которые должны попасть в кровь. Для этого им необходимо преодолеть, как минимум, апикальную мембрану энтероцита и его базальную мембрану.
Вторично-активный транспорт
По механизму вторичного активного транспорта из просвета кишечника происходит всасывание глюкозы и галактозы . Такой механизм означает, что затрата энергии при переносе сахаров происходит, но тратится она не непосредственно на транспорт молекулы, а на создание градиента концентрации другого вещества. В случае моносахаридов таким веществом является ион натрия .
Аналогичный механизм транспорта глюкозы присутствует в эпителии канальцев почек
, который реабсорбирует ее из первичной мочи.
Только наличие активного
транспорта позволяет перенести из внешней среды внутрь клеток практически всю глюкозу.
Фермент Na + ,К + -АТФаза постоянно, в обмен на калий, выкачивает ионы натрия из клетки, именно этот транспорт требует затрат энергии. В просвете кишечника содержание натрия относительно высоко и он связывается со специфическим мембранным белком, имеющим два центра связывания: один для натрия, другой для моносахарида. Примечательно то, что моносахарид связывается с белком только после того, как с ним свяжется натрий. Белок-транспортер свободно мигрирует в толще мембраны. При контакте белка с цитоплазмой натрий быстро отделяется от него по градиенту концентрации и сразу отделяется моносахарид. Результатом является накопление моносахарида в клетке, а ионы натрия выкачиваются Na + ,К + -АТФазой.
Выход глюкозы из клетки в межклеточное пространство и далее кровь происходит благодаря облегченной диффузии.
Вторично-активный транспорт глюкозы и галактозы через мембраны энтероцитов
Пассивный транспорт
В отличие от глюкозы и галактозы, фруктоза и другие моносахара всегда транспортируются белками-транспортерами, не зависящими от градиента натрия, т.е. облегченной диффузией . Так, на апикальной мембране энтероцитов находится транспортный белок ГлюТ-5 , через который фруктоза диффундирует в клетку.
Для глюкозы вторично-активный транспорт используется при ее низких концентрациях в кишечнике. Если концентрация глюкозы в просвете кишечника велика , то она также может транспортироваться в клетку путем облегченной диффузии при участии белка ГлюТ-5.
Скорость всасывания моносахаридов из просвета кишечника в эпителиоцит не одинакова. Так, если скорость всасывания глюкозы принять за 100%, то относительная скорость переноса галактозы составит 110%, фруктозы – 43%, маннозы – 19%.
Транспорт из крови через мембраны клеток
После выхода в кровь, оттекающую от кишечника, моносахариды движутся по сосудам воротной системы в печень, частично задерживаются в ней, частично выходят в большой круг кровообращения. Следующей их задачей стоит проникновение в клетки органов.
Из крови внутрь клеток глюкоза попадает при помощи облегченной диффузии по градиенту концентрации с участием белков-переносчиков (глюкозных транспортеров – "ГлюТ "). Всего выделяют 12 типов транспортеров глюкозы, отличающихся локализацией, сродством к глюкозе и способностью к регулированию.
Глюкозные транспортеры ГлюТ-1 имеются на мембранах всех клеток и ответственны за базовый транспорт глюкозы в клетки, требуемый для поддержания жизнеспособности.
Особенностями ГлюТ-2 является способность пропускать глюкозу в двух направлениях и низкое сродство к глюкозе. Переносчик представлен, в первую очередь, в гепатоцитах , которые после еды захватывают глюкозу, а в постабсорбтивный период и при голодании поставляют ее в кровь. Также присутствует этот транспортер в эпителии кишечника и почечных канальцев . Присутствуя на мембранах β-клеток островков Лангерганса, ГлюТ-2 переносит глюкозу внутрь при ее концентрации свыше 5,5 ммоль/л и благодаря этому генерируется сигнал для увеличения выработки инсулина .
Глют-3 обладает высоким сродством к глюкозе и представлен в нервной ткани . Поэтому нейроны способны поглощать глюкозу даже при низких ее концентрациях в крови.
В мышцах и жировой ткани находится ГлюТ-4 , только эти транспортеры являются чувствительными к влиянию инсулина . При действии инсулина на клетку они выходят на поверхность мембраны и переносят глюкозу внутрь. Указанные ткани получили название инсулинзависимых .
Некоторые ткани совершенно нечувствительны к действию инсулина, их называют инсулиннезависимыми . К ним относятся нервная ткань, стекловидное тело, хрусталик, сетчатка, клубочковые клетки почек, эндотелиоциты, семенники и эритроциты.
Транслокация транспортеров глюкозы к мембране клетки наблюдается уже через несколько минут после взаимодействия инсулина с рецептором, и для ускорения или поддержания процесса рециклирования белков- транспортеров необходимо дальнейшее стимулирующее влияние инсулина.
Идентифицировано два класса транспортеров глюкозы: Na+-глюкозный ко-транспортер и пять изоформ собственных транспортеров глюкозы . Согласно данным этих авторов, Na+-глюкозный ко-транспортер, или симпортер, экспрессируется специальными эпителиальными реснитчатыми клетками тонкой кишки и проксимального отдела канальцев почек. Этот белок осуществляет активный транспорт глюкозы из просвета кишки или нефрона против градиента её концентрации путем связывания глюкозы с теми ионами натрия, которые транспортируются ниже градиента концентрации. Градиент концентрации Na+ поддерживается активным белком-транспортером натрия через поверхность пограничных реснитчатых клеток посредством мембраносвязанных Na+, K+-зависимой АТФазы. Молекула этого белка - транспортера состоит из 664 аминокислотных остатков, его синтез кодируется геном, расположенным на 22-й хромосоме.
Второй класс переносчиков глюкозы представлен собственными транспортерами глюкозы. Это мембранные белки, находящиеся на поверхности всех клеток и осуществляющие транспорт глюкозы ниже градиента ее концентрации посредством соответствующей диффузии, т.е. путем пассивного транспорта, при котором транслокация глюкозы через билипидную мембрану клетки ускоряется мембранносвязанным транспортным белком. Транспортеры глюкозы первично осуществляют транспорт глюкозы не только в клетку, но и из клетки. Транспортеры II класса участвуют и во внутриклеточном перемещении глюкозы. Глюкоза абсорбируется на поверхности эпителиальных клеток, обращенных в просвет кишки или нефрона, с помощью Nа+-глюкозного котранспортера.
Факторами, регулирующими экспрессию транспортеров глюкозы, являются инсулин, факторы роста, пероральные сахароснижающие препараты, ванадий, глюкокортикоиды, цАМФ, голодание, дифференцировка клеток и протеинкиназа С.
ГЛЮТ-1 (эритроцитарный тип) - первый клонированный белок-транспортер. Ген, кодирующий этот белок, расположен на I-й хромосоме. ГЛЮТ-1 экспрессируется во многих тканях и клетках: эритроцитах, плаценте, почках, толстой кишке. По данным K. Kaestner и соавт. (1991), синтез ГЛЮТ-1 и ГЛЮТ-4 в адипоцитах транскрипционно регулируется цАМФ реципрокным способом. Наряду с этим экспрессия ГЛЮТ-1 в мышцах стимулируется угнетением N-связанного гликозилирования .
ГЛЮТ-2 (печеночный тип) синтезируется только в печени, почках, тонкой кишке (базолатеральная мембрана) и панкреатических b-клетках. Молекула ГЛЮТ-2 включает 524 аминокислотных остатка. Ген, кодирующий этот белок, локализуется на 3-й хромосоме. Изменение количества или структурной формы ГЛЮТ-2 вызывает снижение чувствительности b-клеток к глюкозе. Это происходит при сахарном диабете II типа, когда наблюдается индукция экспрессии ГЛЮТ-2 в проксимальных канальцах почек, причем количество ГЛЮТ-2 мРНК увеличивается в 6,5 раза, а количество ГЛЮТ-1 мРНК уменьшается до 72% от нормы .
ГЛЮТ-3 (мозговой тип) экспрессируется во многих тканях: мозге, плаценте, почках, скелетных мышцах плода (уровень этого белка в скелетных мышцах взрослого человека низкий). Молекула ГЛЮТ-3 состоит из 496 аминокислотных остатков. Ген, кодирующий этот белок, расположен на 12-й хромосоме.
ГЛЮТ-4 (мышечно-жировой тип) содержится в тканях, где транспорт глюкозы быстро и значительно увеличивается после воздействия инсулина: скелетной белой и красной мышцах, белой и коричневой жировой клетчатке, мышце сердца. Молекула белка состоит из 509 аминокислотных остатков. Ген, кодирующий ГЛЮТ-4, локализуется на 17-й хромосоме. Основной причиной клеточной резистентности к инсулину при ожирении и инсулиннезависимом диабете (ИНЗД), по данным W.Garvey и соавт. (1991), является претрансляционное угнетение синтеза ГЛЮТ-4, однако его содержание в мышечных волокнах I и II типа у больных ИНЗД при ожирении и нарушении толерантности к глюкозе одинаково. Резистентность мышц этих больных к инсулину, вероятно, связана не с уменьшением количества ГЛЮТ-4, а с изменением их функциональной активности или нарушением транслокации.
ГЛЮТ-5 (кишечный тип) находится в тонкой кишке, почках, скелетных мышцах и жировой ткани. Молекула этого белка состоит из 501 аминокислотного остатка. Ген, кодирующий синтез белка, расположен на 1-й хромосоме.
В клетки тканей организма глюкоза может поступать как экзогенная из пищи, так образованная эндогенно из депонированного гликогена (в результате гликогенолиза) или из других субстратов, таких как лактат, глицерол, аминокислоты (в результате глюконеогенеза). Всосавшаяся в тонкой кишке глюкоза поступает через воротную вену в печень и попадает в гепатоциты. По своей природе глюкоза является гидрофильным веществом, следовательно она не может свободно поникнуть через фосфолипидную мембрану. Механизм ее транспорта осуществляется с помощью белков-переносчиков. При стимуляции инсулином наблюдается увеличение содержания этих белков в плазматических мембранах в 5-10 раз при одновременном уменьшение их одержания на 50-60% внутри клетки. Для стимуляции передвижения белков-переносчиков к мембране требуется дальнейшее стимулирующие влияние инсулина. На сегодняшний день выделено два класса транспортеров глюкозы:
· Na-глюкозный котранспортер, который экспрессируется специальными эпителильными реснитчатыми клетками тонкой кишки и проксимальным отделом почек. Этот белок осуществляет активный транспорт глюкозы из просвета кишки или нефрона против градиента концентрации путем связывания глюкозы с теми ионами натрия, которые транспортируются ниже градиента концентрации.
· Собственные транспортеры глюкозы. Это мембранные белки, находящиеся на поверхности всех клеток и осуществляющие транспорт глюкозы ниже градиента концентрации. Транспортеры глюкозы осуществляют перенос глюкозы не только в клетку, но и из клетки и также участвуют во внутриклеточном передвижении глюкозы. В настоящее время описано 6 транспортных белков для глюкозы – GluT.
В клетках глюкоза фосфорилируется в гексокиназной реакции, превращаясь в глюкозо-6-фосфат (Гл-6-Ф), Гл-6-Ф является субстратом нескольких путей метаболизма: с этой молекулы начинается синтез гликогена, пентозофосфатный цикл, гликолитический распад до лактата или аэробное полное расщепление до СО 2 и Н 2 О. В клетках, способных к глюконеогенезу (клетки печени, почек, кишечника), Гл-6-Ф может дефосфорилироваться и в виде свободной глюкозы поступать в кровь и переноситься в другие органы и ткани.
Особенно важна глюкоза для клеток мозга. Клетки нервной системы зависят от глюкозы как от основного энергетического субстрата. В то же время в мозге нет запасов глюкозы, она там не синтезируется, нейроны не могут потреблять другие энергетические субстраты, кроме глюкозы и кетоновых тел, глюкоза практически полностью может исчерпываться из внеклеточной жидкости, так как клетки нервной системы потребляют глюкозу инсулин-независимым путем.
Гликоген . Из Гл-6-Ф в результате сочетанного действия гликогенсинтетазы и «ветвящего» фермента синтезируется гликоген - полимер, напоминающий по виду дерево. В молекуле гликогена может содержаться до миллиона моносахаридов. При этом происходит как бы кристаллизация гликогена и он не обладает осмотическим эффектом. Такая форма пригодна для хранения в клетке. Если бы такое количество молекул глюкозы было растворено, то из-за осмотических сил клетку бы разорвало. Гликоген является депонированной формой глюкозы и энергии. Он содержится практически во всех тканях, в клетках нервной системы его минимальное количество, в печени и мышцах его особенно много. Гликоген содержит только 2 типа гликозидных связей: a(1®4)-тип и a(1®6)-тип. Связь a(1®4)-тип формируется через каждые 8-10 остатков D-глюкозы (рис 4).
Гликогенолиз . Это путь расщепления гликогена. Гликоген в организме в основном сохраняется в печени и скелетных мышцах. Гликоген мышц используется в качестве источника энергии при интенсивной физической нагрузке. Гликогенолиз в печени активируется в ответ на снижение глюкозы при перерывах в приеме пищи или как стрессовая реакция. Основными гормонами, активирующими гликогенолиз, являются глюкагон, адреналин (эпинефрин) и кортизол (таблица 2).
Таблица 2
Гликогенолиз начинается с отщепления концевых остатков глюкозы по связям a(1®4), в этом процессе ключевым ферментом является гликогенфосфорилаза (рис 5.). Активация фосфорилазы осуществляется фосфорилированием с участием цАМФ-зависимой протеинкиназы и киназы фосфорилазы. Контролируют активацию фосфорилазы катехоламины (печень, мышцы) и глюкагон (печень). Эти гормоны способствуют расщеплению гликогена в печени и тем самым гипергликемическому ответу. Продуктом фосфорилазной реакции является глюкозо-1-фосфат (Г-1-Ф), который превращается в Г-6-Ф при участии фермента фосфоглюкомутазы. В печени глюкоза образуется из Г-6-Ф и Г-1-Ф при участии соответственно ферментов Г-6-Фтазы и Г-1-Фтазы. Фермент фосфорилаза специфичен только для связей a(1®4). Он расщепляет гликоген до тех пор, пока в конце ветви не останется 3-4 углеводных остатка. Затем действует ферментный комплекс из трансглюкозилазы и глюкозидазы. Первый из этих ферментов переносит (транслоцирует) короткий сегмент углеводных остатков в конец цепи a(1®4), второй отщепляет глюкозу по связи a(1®6). Цикл с участием фосфорилазы и ферментного комплекса, разрушающего ветвления гликогена, повторяется. Около 90 % глюкозы освобождается из гликогена в виде Г-1-Ф при разрушении связи a(1®4), 10 % в виде свободной глюкозы при разрушении связи a(1®6). Глюкоза может образовываться из гликогена при участии амило-1,6-глюкозидазы, расщепляющей боковые цепи гликогена.
|
Гликогенозы . Это группа наследственных заболеваний, связанных с дефектами ферментов, при которых нарушен распад гликогена (рис. 5) и, несмотря на огромный запас гликогена в органах, у больных детей развивается гипогликемия (таблица 3).
Таблица 3.
| Гликогенозы - болезни накопления гликогена | |||
| Тип | Название болезни | Дефект фермента | Структурные и клинические проявления дефекта |
| I | von Gierke’s (Гирке) | глюкозо-6-фосфатаза | тяжелая постабсорбционная гипогликемия, лактоацидоз, гиперлипидемия |
| II | Pompe’s (Помпе) | лизосомальная a-глюкозидаза | гранулы гликогена в лизосомах |
| III | Cori’s (Кори) | трансглюкозилаза/ глюкозидаза | измененная структура гликогена, гипогликемия |
| IV | Andersen’s (Андерсен) | «ветвящий» фермент | измененная структура гликогена |
| V | McArdle’s (Мак-Ардль) | мышечная фосфорилаза | отложение гликогена в мышцах, судороги при физической нагрузке |
| VI | Hers’ (Геру) | фосфорилаза печени | гипогликемия, но не такая тяжелая, как при I типе |
Наиболее изучена болезнь Гирке (гликогеноз I типа), при этом заболевании блокировано расщепление гликогена из-за отсутствия фермента глюкозо-6-фосфатазы, структура гликогена нормальная. Нарушено образование свободной глюкозы, образуется много лактата. Гипогликемия приводит к активации жирового обмена, окисление липидов сопровождается образованием кетоновых тел. Гипогликемия проявляется ярко при определении глюкозы в крови глюкозоксидазным и гексокиназным методами, в то время как редуктометрическим методом по Хагедорну из-за присутствия в крови восстанавливающих веществ результаты определения глюкозы значительно искажаются. Велика ценность адреналиновой и глюкагоновой пробы, так как адреналин и глюкагон не повышают уровень глюкозы в крови из-за неспособности печени поставлять свободную глюкозу из гликогена.
ИСТОРИЯ БОЛЕЗНИ № 1
БОЛЕЗНЬ ГИРКЕ (ГЛИКОГЕНОЗ ПРИ ДЕФИЦИТЕ Г-6-Фазы)
Девочка 6 месяцев постоянно капризничала, имела болезненный вид, быстро утомлялась, впадала в сонливость, у нее часто возникали расстройства пищеварения, наблюдалось значительное увеличение печени.
Глюкоза в крови (через 1 ч после кормления) - 3,5 ммоль/л (референтный диапазон » 5 ммоль/л)
Через 4 ч после кормления на фоне признаков болезненного состояния при пульсе 110 в 1 мин уровень глюкозы составил 2 ммоль/л. Симптомы снимались после еды. Биопсия печени показала массивные отложения гликогена в цитоплазме гепатоцитов.
Поставлен диагноз - болезнь Гирке. Лечение включало частые кормления с уменьшением углеводов в пище и питание через назогастральный зонд по ночам.
ИСТОРИЯ БОЛЕЗНИ № 2
БОЛЕЗНЬ МАК-АРДЛЯ (ГЛИКОГЕНОЗ СО СНИЖЕНИЕМ МЫШЕЧНОЙ СИЛЫ)
30-летний мужчина консультировался у врача по поводу хронических болей в мышцах ног и рук и судорог при физической нагрузке. У него отмечалась слабость в мышцах, поэтому он никогда не занимался спортом. Состояние не менялось до тех пор, пока он не решил укрепить мышцы, занимаясь спортом. При упорных физических упражнениях боли, как правило, проходили через 15-30 мин тренировки, и он мог дальше заниматься упражнениями.
Лабораторный анализ:
При лабораторном исследовании установлено, что при умеренной физической нагрузке уровень глюкозы в крови был нормальным, но повышенным была активность ММ фракции креатинкиназы (ММ-КК), что свидетельствует о повреждении мышц. При интенсивной мышечной работе уровень глюкозы в крови незначительно уменьшался, но при этом снижался и уровень лактата. Биопсия показала необычно высокое содержание гликогена в мышцах, что доказывает болезнь накопления гликогена.
Обсуждение :
В начальный период мышечной нагрузки всегда начинает интенсивно потребляться глюкоза, которая образуется из распадающегося гликогена. Однако при судорогах, возникающих при кислородной задолженности, в результате активации гликолиза должно происходить образование пирувата, который превращается в лактат и поступает в кровь. В этом же случае не было увеличения лактата, что доказывает нарушение мобилизации мышечного гликогена. Прекращение мышечных болей через 0,5 ч после нагрузки объясняется физиологической реакцией, вызванной освобождающимся при нагрузке адреналином, который способствует поступлению в мышцы из крови глюкозы и жирных кислот, компенсирующих недостаточное поступление глюкозы из мышечного гликогена.
Гликолиз. В анаэробных условиях гликлиз - основной метаболический путь расщепления глюкозы. В этом процессе при распаде 1 молекулы глюкозы образуется 2 молекулы АТФ и 2 молекулы пирувата. В тканях, где не обеспечивается полностью синтез АТФ за счет окислительного фосфорилирования, глюкоза является основным источником энергии. При интенсивной мышечной работе в мышцах углеводы расщепляются до лактата, вызывая, так называемую, кислородную задолжность и приводя к внутриклеточному закислению. Ряд лекарственных препаратов, в частности бигуаниды, сульфонилмочевинные препараты первой генерации, активируют гликолиз, поэтому при диабете могут быть дополнительными факторами, способствующими развитию лактоацидоза. В связи с этим, наряду с определением параметров КОС и газов крови, в экспресс-лабораториях при реанимационных отделениях рекомендуется определение лактата у больных с развивающейся гипоксией. Ингибиторами гликолиза являются монойодацетат и NaF - сильнодействующие яды. В эритроцитах гликолиз и пентозофосфатный цикл являются основными путями утилизации глюкозы, интенсивность их высокая, поэтому не рекомендуется при определении глюкозы оставлять сгусток с сывороткой или измерять глюкозу в стабилизированной ЭДТА крови более чем через 1 час. При необходимости хранить кровь рекомендуется использовать в качестве ингибитора гликолиза монойодацетат или NaF.
Аэробное окисление глюкозы. Глюкоза является одним из основных энергетических субстратов в организме. Скорость ее окисления в состоянии покоя натощак составляет около 140 мг/кг массы в течение 1 часа. Некоторые жизненно важные органы, в частности кора головного мозга, используют в качестве энергетического субстрата исключительно глюкозу. В процессе окисления она превращается через гликолитический путь обмена в пируват, который поступает в митохондрии, где декарбоксилируется до ацетил-коА. Дальнейшее окисление происходит в цикле Кребса и процессе окислительного фосфорилирования, в котором синтезируется АТФ и образуется эндогенная вода. Это основной путь образования энергии: 1 молекула глюкозы в процессе аэробного окисления дает возможность синтезироваться в 19 раз больше АТФ, чем при гликолизе, то есть 38 молекул АТФ Окисление глюкозы в аэробных условиях - наиболее эффективный путь использования кислорода для энергетических нужд. Эффективность основного обмена наиболее высока, когда окисляется глюкоза, поэтому она является важным компонентом при парентеральном питании.
Пентозофосфатный шунт. Биологическая роль этого цикла состоит в образовании пентозофосфатов, необходимых для синтеза нуклеиновых кислот, для генерирования восстановленных эквивалентов в виде НАДФН для синтеза жирных кислот и для обеспечения антиоксидантной системы клеток. Среди дефектов пентозофосфатного шунта наиболее распространен дефицит или аномалии фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы. При этом не обеспечивается необходимое восстановление глютатиона. В мембране эритроцитов активируется перекисное окисление, накапливаются гидроперекиси, нарушается проницаемость клеточной мембраны, в результате наступает гемолиз.
Взаимосвязь между углеводным, белковым и липидным обменами . Важным общим промежуточным продуктом метаболизма углеводов, аминокислот и липидов является в клетках молекула ацетил-коА. Через ацетил-коА глюкоза и другие углеводы могут превращаться в жирные кислоты и триглицериды, в заменимые аминокислоты и наоборот глюкоза может синтезироваться через эту молекулу. Через пути взаимопревращений при разном питании организм синтезирует необходимые компоненты. Поэтому даже при исключительно углеводном питании может увеличиться масса жировой ткани. После приема пищи, также как после приема углеводов, не рекомендуется исследовать базальный уровень глюкозы в крови. Практически постоянно при гипертриглицеридемии имеется склонность к нарушению углеводного обмена вследствие развития инсулинорезистентности.
Глюконеогенез. Так называется метаболический процесс синтеза глюкозы из аминокислот и продуктов промежуточного обмена веществ. В процессе глюконеогенеза протекают те же реакции, что в гликолизе, но в обратном направлении. Исключение составляют 3 реакции, которые шунтируются. Полный набор ферментов глюконеогенеза содержится в клетках печени, почек, слизистой кишечника. Глюкокортикоиды, в частности кортизол, являются мощными стимуляторами синтеза ферментов глюконеогенеза, вызывая гипергликемию, за счет синтеза глюкозы из аминокислот при катаболизме белков.
РЕГУЛЯЦИЯ УГЛЕВОДНОГО ОБМЕНА.
Уровень глюкозы в крови является важнейшим фактором гомеостаза. Он поддерживается на определенном уровне функцией кишечника, печени, почек, поджелудочной железы, надпочечников, жировой ткани и других органов (рис. 6).
|
|
|
Рис. 6. Метаболизм глюкозы после еды. Всосавшаяся в кишечнике глюкоза поступает в печень. Печень поддерживает постоянную доставку энергетических субстратов для других органов, в первую очередь для мозга. Поступление глюкозы в печень и мозг не зависит от инсулина, в мышцы и жировую ткань - инсулинзависимое. Во всех клетках первый этап метаболизма глюкозы - фосфорилирование. В печени инсулин стимулирует фермент глюкокиназу, инициируя образование гликогена. Избыток глюкозо-6-фосфата используется для синтеза аминокислот и липидов. В мышцах глюкоза запасается в виде гликогена, в жировой ткани переходит в триглицериды, в мозговой ткани глюкоза используется как энергетический субстрат.
Выделяют несколько типов регуляции углеводного обмена: субстратную, нервную, гормональную, почечную.
Всасывание моносахаридов в кишечнике
Всасывание моносахаридов из кишечника происходит путем облегченной диффузии с помощью специальных белков-переносчиков (транспортеров). Кроме того, глюкоза и галактоза транспортируются в энтероциты путем вторично-активного транспорта, зависимого от градиента концентрации ионов натрия. Белки-транспортеры, зависимые от градиента Na + , обеспечивают всасывание глюкозы из просвета кишечника в энтероцит против градиента концентрации. Концентрация Na + необходимая для этого транспорта, обеспечивается Na + , К + -АТФ-азой, которая работает как насос, откачивая из клетки Na + в обмен на К + . В отличие от глюкозы, фруктоза транспортируется системой, не зависящей от градиента натрия. При разной концентрации глюкозы в просвете кишечника «работают» разные механизмы транспорта. Благодаря активному транспорту эпителиальные клетки кишечника могут поглощать глюкозу при ее очень низкой концентрации в просвете кишечника. Если же концентрация глюкозы в просвете кишечника велика, то она может транспортироваться в клетку путем облегченной диффузии. Таким же способом может всасываться и фруктоза. Скорость всасывания глюкозы и галактозы гораздо выше, чем других моносахаридов.
Поглощение глюкозы клетками из кровотока происходит, также путем облегченной диффузии. Следовательно, скорость трансмембранного потока глюкозы зависит только от градиента ее концентрации. Исключение составляют клетки мышц и жировой ткани, где облегченная диффузия регулируется инсулином.
Глюкозные транспортеры (ГЛЮТ) обнаружены во всех тканях. Существуют несколько разновидностей ГЛЮТ, они пронумерованы в соответствии с порядком их обнаружения. Описанные 5 типов ГЛЮТ имеют сходную первичную структуру и доменную организацию. ГЛЮТ-1 обеспечивает стабильный поток глюкозы в мозг. ГЛЮТ-2 обнаружен в клетках органов, выделяющих глюкозу в кровь (печень, почки). Именно при участии ГЛЮТ-2 глюкоза переходит в кровь из энтероцитов и печени. ГЛЮТ-2 участвует в транспорте глюкозы в β-клетки поджелудочной железы. ГЛЮТ-3 содержится во многих тканях, обладает большим, чем ГЛЮТ-1, сродством к глюкозе. Он также обеспечивает постоянный приток глюкозы к клеткам нервной и других тканей. ГЛЮТ-4 – главный переносчик глюкозы в клетки мышц и жировой ткани. ГЛЮТ-5 встречается главным образом, в клетках тонкого кишечника. Его функции известны недостаточно.
Все типы ГЛЮТ могут находиться как в плазматической мембране, так и в цитозольных везикулах. ГЛЮТ-4 (в меньшей степени ГЛЮТ-1) почти полностью находятся в цитоплазме клетки. Влияние инсулина на такие клетки приводит к перемещению везикул, содержащих ГЛЮТ, к плазматической мембране, слиянию с ней и встраиванию транспортеров в мембрану. После чего возможен облегченный транспорт глюкозы в эти клетки. После снижения концентрации инсулина в крови транспортеры глюкозы снова перемещаются в цитоплазму, и поступление глюкозы в клетку прекращается.
В клетки печени глюкоза проходит при участии ГЛЮТ-2, независимо от инсулина. Хотя инсулин и не влияет на транспорт глюкозы, он усиливает приток глюкозы в гепатоцит в период пищеварения косвенным путем, индуцируя синтез глюкокиназы и ускоряя тем самым фосфорилирование глюкозы.
Транспорт глюкозы из первичной мочи в клетки канальцев почек происходит путем вторично-активного транспорта. Благодаря этому глюкоза может поступать в клетки канальцев даже в том случае, если ее концентрация в первичной моче меньше, чем в клетках. Глюкоза реабсорбируется из первичной мочи почти полностью (на 99 %) в конечной части канальцев.
Известны различные нарушения в работе транспортеров глюкозы. Наследственный дефект этих белков может лежать в основе инсулинонезависимого сахарного диабета.
