Гормональная регуляция обмена глюкозы в организме человека

Министерство образования и науки, молодёжи и спорта Украины Харьковский национальный университет им. В. Н. Каразина Кафедра биохимии Курсовая работа

по нормативному курсу биохимия на тему:

Гормональная регуляция обмена глюкозы в организме человека Выполнила:

Студентка 2го курса Пуковецкая О.А.

Проверила:

Кандидат биологических наук, доцент каф. биохимии Никитченко Ирина Васильевна Харьков 2012

Список условных сокращений Введение

1. Источники глюкозы в крови

2. Регуляция содержания глюкозы в крови гормонами

3. Нарушения обмена глюкозы в организме человека

3.1 Гиперсекреция инсулина

3.2 Сахарный диабет

3.3 Почечный порог для глюкозы, глюкозурия

3.4 Гипогликемия Заключение Список используемой литературы

Список условных сокращений

АТФ — Аденозинтрифосфат;

НАД — никотинамидадениндинуклеотид;

НАДФ — никотинамидадениндинуклеотидфостат;

АДФ — Аденозиндифосфат;

АМФ — Аденозинмонофосфат;

цАМФ — циклический Аденозинмонофосфат;

АКТГАдренокортикотропный гормон;

ГИ — гликемический индекс;

глюкоза железы гормон диабет гипогликемия

Углеводы — главный легко и быстро утилизируемый источник энергии в организме. Благодаря взаимосвязанным аэробному и гликолитическому путям расщепления углеводы дают большой прирост энергии, расходуемой на самые разнообразные метаболические, структурные и физиологические процессы. Особую роль углеводы играют в энергетике ЦНС, использующей около 70% отдаваемой печенью глюкозы.

Однако запасы углеводов в организме невелики. Так, в печени человека массой 70 кг обычно содержится 50−100 г гликогена (что составляет 200−400 ккал), в мышцах — около 300 г гликогена (что составляет 1200−2000 ккал). Отсюда понятно, почему организм нуждается в постоянном поступлении углеводов с пищей или образованию их из глюкогенных аминокислот (аланина, аспарагиновой и глутаминовой) и из липидов (глицерина).

Кроме энергии, углеводы необходимы для образования пентозофосфата и далее рибонуклеотидов (АТФ), инозиннуклеотидов (участвующих в мышечных сокращениях), коферментов НАД и НАДФ (никотинамидаденин-нуклеотидов), играющих большую роль в переносе ионов водорода, а значит в окислительных процессах (прежде всего в окислительном фосфорилировании, цикле Кребса).

Образующийся в процессе пентозного цикла НАДФ-Н2 обеспечивает процессы синтеза, например образование высших жирных кислот из ацетилкоэнзима А, т. е. процессы липогенеза. Пентозный путь обмена углеводов вне митохондрий крайне важен для синтеза гормонов в эндокринных железах, процессов липолиза в жировой ткани («липиды сгорают в пламени углеводов»).

Превращение глюкозы в пентозном цикле осуществляется окислительным, а не гликолитическим путём.

Глюкоза также крайне важна для синтеза гликогена во многих органах и тканях, но главным образом — в печени, скелетных мышцах, сердце и головном мозге.

Углеводы в составе мукополисахаридов играют важную роль в структурной организации клеточных мембран и некоторых АМФ, например, в образовании гепарина, а через него участвуют в регуляции антисвёртывающей системы крови. Кроме того, гепарин активирует липопротеиновую липазу.

Глюкоза необходима для синтеза глюкуронидов в печени (обеспечивающей процессы детоксикации), соединительной ткани (обеспечивающей прочность и непроницаемость стенок сосудов и различных органов) и так далее.

Из сказанного ясно, что углеводы (как мономеры, так и полимеры) играют важную роль во многих жизненных процессах организма. 1]

1. Источники глюкозы в крови

Углеводы, содержащиеся в пищевом рационе:

А) Большинство углеводов, поступающих в организм с пищей, гидролизуется с образованием глюкозы, галактозы или фруктозы, которые через воротную вену поступают в печень. Галактоза и фруктоза быстро превращаются в печени в глюкозу.

Б) Различные глюкозообразующие соединения, вступающие на путь глюконеогенеза. Эти соединения можно разделить на две группы:

· соединения, превращающиеся в глюкозу и не являющиеся продуктами ее метаболизма, например аминокислоты и пропионат;

· соединения, которые являются продуктами частичного метаболизма глюкозы в ряде тканей; они переносятся в печень и почки, где из них ресинтезируется глюкоза. Так, лактат, образующийся в скелетных мышцах и эритроцитах из глюкозы, транспортируется в печень, и почки, где из него вновь образуется глюкоза, которая затем поступает в кровь и ткани. Этот процесс называется циклом Кори или циклом молочной кислоты Цикл молочной кислоты (цикл Кори) и глюкозо-аланиновый цикл. [2]

2. Регуляция содержания глюкозы в крови гормонами

Скорость транспорта глюкозы, как и транспорта других моносахаридов, существенно увеличивается инсулином. Если поджелудочная железа продуцирует большие количества инсулина, скорость транспорта глюкозы в большинстве клеток возрастает более чем в 10 раз по сравнению со скоростью транспорта глюкозы при отсутствии инсулина. Напротив, при отсутствии инсулина количество глюкозы, которое может диффундировать внутрь большинства клеток, за исключением клеток мозга и печени, столь мало, что не в состоянии обеспечить нормальный уровень энергетических потребностей.

Скорость потребления глюкозы большинством клеток находится под контролирующим влиянием скорости продукции инсулина поджелудочной железой.

Как только глюкоза попадает в клетки, она связывается с фосфатными радикалами в соответствии со следующей схемой реакции:

Фосфорилирование осуществляется главным образом ферментом глюкокиназой в печени или гексокиназой в большинстве других клеток. Фосфорилирование глюкозы является почти полностью необратимой реакцией, исключая клетки печени, эпителиоциты почечного тубулярного аппарата и клетки кишечного эпителия, в которых присутствует другой фермент — глюкофосфорилаза. Будучи активирована, она может сделать реакцию обратимой. В большинстве тканей организма фосфорилирование служит способом захвата глюкозы клетками. Это происходит в связи со способностью глюкозы немедленно связываться с фосфатом, а в такой форме она не может выходить обратно из клетки, кроме некоторых особых случаев, в частности из клеток печени, которые располагают ферментом фосфатазой.

После поступления внутрь клетки глюкоза практически немедленно используется клеткой для энергетических целей либо запасается в виде гликогена, который является крупным полимером глюкозы.

Все клетки организма способны запасать какие-то количества гликогена, но особенно большие его количества депонируются клетками печени, которая может запасать гликоген в количествах, составляющих от 5 до 8% веса этого органа, или мышечными клетками, содержание гликогена в которых составляет от 1 до 3%. Молекула гликогена может полимеризоваться так, что в состоянии иметь практически любую молекулярную массу; в среднем молекулярная масса гликогена составляет около 5 млн. В большинстве случаев гликоген, осаждаясь, образует крупные гранулы.

Превращение моносахаридов в преципитирующее соединение с большой молекулярной массой (гликоген) дает возможность запасать большие количества углеводов без заметного изменения осмотического давления во внутриклеточном пространстве. Высокая концентрация растворимых моносахаридов с низкой молекулярной массой могла бы приводить к катастрофическим последствиям для клеток в связи с формированием огромного градиента осмотического давления по обе стороны клеточной мембраны.

Процесс расщепления гликогена, хранящегося в клетках, который сопровождается высвобождением глюкозы, называют гликогенолизом. Затем глюкоза может использоваться в целях получения энергии. Гликогенолиз невозможен без реакций, обратных реакциям получения гликогена, при этом каждая вновь отщепляющаяся от гликогена молекула глюкозы подвергается фосфорилированию, катализируемому фосфорилазой. В состоянии покоя фосфорилаза пребывает в неактивном состоянии, поэтому гликоген хранится в депо. Когда появляется необходимость получить глюкозу из гликогена, прежде всего должна активироваться фосфорилаза. См. приложение 1

Два гормона — адреналин и глюкагон — могут активировать фосфорилазу и таким образом ускорять процессы гликогенолиза. Начальные моменты влияний этих гормонов связаны с образованием в клетках циклического аденозинмонофосфатау который затем запускает каскад химических реакций, активирующих фосфорилазу. См. Приложение 2.

Адреналин выделяется из мозгового вещества надпочечников под влиянием активации симпатической нервной системы, поэтому одна из ее функций заключается в обеспечении обменных процессов. Эффект адреналина особенно заметен в отношении клеток печени и скелетных мышц, что обеспечивает наряду с влияниями симпатической нервной системы готовность организма к действию. [1]

Адреналин стимулирует выведение глюкозы из печени в кровь, для того чтобы снабдить ткани (в основном мозг и мышцы) «топливом» в экстремальной ситуации. Эффект адреналина в печени обусловлен фосфорилированием (и активацией) гликогенфосфорилазы. Адреналин имеет сходный с глюкагоном механизм действия. Но возможно включение и другой эффекторной системы передачи сигнала в клетку печени. [6]

Глюкагон — гормон, выделяемый альфа-клетками поджелудочной железы, когда концентрация глюкозы в крови снижается до слишком низких значений. Он стимулирует образование циклического АМФ главным образом в клетках печени, что, в свою очередь, обеспечивает превращение в печени гликогена в глюкозу и ее высвобождение в кровь, повышая таким образом концентрацию глюкозы в крови. 1]

В отличие от адреналина тормозит гликолитический распад глюкозы до молочной к-ты, способствуя тем самым гипегликемии. Укажем также, на различия в физиологическом действиив отличие от адреналина глюкагон не повышает кровяного давления и не увеличивает частоту сердечных сокращений. Следует отметить, что помимо панкреатического глюкагона, есть и кишечный глюкагон, синтезирующийся по всему пищеварительноу тракту и поступающего в кровь. [5]

В период пищеварения преобладает влияние инсулина, так как инсулинглюкагоновый индекс в этом случае повышается. В целом инсулин влияет на обмен гликогена противоположно глюкагону. Инсулин снижает концентрацию глюкозы в крови в период пищеварения, действуя на метаболизм печени следующим образом:

· снижает уровень цАМФ в клетках, фосфорилируя (опосредованно через Ras-путь) и тем самым активируя протеинкиназу В (цАМФ-независимую). Протеинкиназа В, в свою очередь, фосфорилирует и активирует фосфодиэстеразу цАМФ — фермент, гидролизующий цАМФ с образованием АМФ. Механизм влияния инсулина на уровень цАМФ в клетке подробнее будет изложен в разделе 11;

· активирует (через Ras-путь) фосфопротеинфосфатазу гранул гликогена, которая дефосфорилирует гликогенсинтазу и таким образом её активирует. Кроме того, фосфопротеинфосфатаза дефосфорилирует и, следовательно, инактивирует киназу фосфорилазы и гликогенфосфорилазу;

· индуцирует синтез глюкокиназы, тем самым ускоряя фосфорилирование глюкозы в клетке. Следует напомнить, что регуляторным фактором в метаболизме гликогена является также величина Кm глюкокиназы, которая много выше, чем Кm гексокиназы. Смысл этих различий понятен: печень не должна потреблять глюкозу для синтеза гликогена, если её количество в крови в пределах нормы.

Всё это вместе приводит к тому, что инсулин одновременно активирует гликогенсинтазу и ингибирует гликогенфосфорилазу, переключая процесс мобилизации гликогена на его синтез. См. Приложение 3

К веществам, вызывающим секрецию инсулина, относятся аминокислоты, свободные жирные кислоты, кетоновые тела, глюкагон, секретин и лекарственный препарат толбутамид; адреналин и норадреналин, наоборот, блокируют его секрецию.

Следует отметить, что гормон щитовидной железы также влияет на содержание глюкозы в крови. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что тироксин обладает диабетогенным действием, а удаление щитовидной железы препятствует развитию диабета.

Передняя доля гипофиза секретирует гормоны, действие которых противоположно действию инсулина, т. е. они повышают уровень глюкозы в крови. К ним относятся гормон роста, АКТГ и, вероятно, другие диабетогенные факторы.

Глюкокортикоиды (11- гидроскистероиды) секретируются корой надпочечников и играют важную роль в углеводном обмене.

Введение

этих стероидов усиливает глюконеогенез за счёт интенсификации каьаболизма белков в тканях, увеличения потребления аминокислот печенью, а также повышения активности трансаминаз и других ферментов, учасвтвующих в процессе глюконеогенеза в печени. Кроме того, глюкокортикоиды ингибируют утилизацию глюкозы во внепечёночных тканях. [2]

3. Нарушения обмена глюкозы в организме человека

Вследствие огромного количества различных факторов, процесс обмена глюкозы в организме может нарушаться и нести за собой неприятные последствия. Рассмотрим самые встречаемые нарушения обмена глюкозы.

3.1 Гиперсекреция инсулина

Люди, придерживающиеся диет и пытающиеся бороться с избыточным весом часто сталкиваются с такими проблемами, как или отсутствие какого либо результата или наоборотещё большее увеличение веса.

Дело в том, что многие люди обладают замедленным обменом веществ, а именно — так называемой инсулиновой нечувствительностью. Что это такое? В двух словах, это когда в ответ на прием богатой углеводами пищи ваша поджелудочная железа вырабатывает слишком много инсулина, который доставляет углеводы прямиком в жировые клетки, где они преобразуются в жир.

При таком нарушении обмена глюкозы в организме следует придерживаться диеты, обращая внимание на углеводы с низкими гликемическими индексами.

Гликимический индекс — это показатель, который определяет изменение содержания глюкозы (сахара) в крови, то есть насколько у вас возрастает содержание сахара в крови в зависимости от того или иного съеденного продукта. Чем выше гликемический индекс того или иного продукта, тем выше при его поступлении в организм поднимется уровень сахара в крови, что, в свою очередь, повлечет за собой выработку организмом мощной порции инсулина, с помощью которой съеденные углеводы не будут запасены в виде гликогена в печени и мышцах, а будут отправлены, главным образом, в жировые депо.

Именно поэтому для людей, страдающих инсулиновой нечувствительностью, жизненно важно потреблять углеводы, обладающие низким гликемическим индексом, относительно медленно повышающим уровень сахара в крови.

Следует заметить, что гликемический индекс — понятие относительное. За основу при его составлении была взята глюкоза, ее гликемический индекс был приравнен к 100, а индексы всех остальных продуктов составляют энное количество процентов относительно гликемического индекса глюкозы. К примеру, ГИ горячего отварного картофеля равен 98, ГИ белого хлеба — 69, ГИ изюма — 64.

Вообще-то гликемические индексы были разработаны в свое время для того, чтобы более целенаправленно составлять диеты для больных-диабетиков. Однако оказалось, что и для поклонников занятий с отягощениями гликемические индексы представляют значительный интерес. [4]

3.2 Сахарный диабет

Сахарный диабет — клинический синдром хронической гипергликемии и глюкозурии, обусловленный абсолютной или относительной инсулиновой недостаточностью, приводящий к нарушению обмена веществ, поражению сосудов (различные ангиопатии), нейропатии и патологическим изменениям в различных органах и тканях. [6]

Следует отметить, что к диабету может приводить длительное введение гормона роста. Вызывая гипергликемию, он стимулирует постоянную секрецию инсулина, что в конечном итоге приводит к истощению В-клеток. [8]

Недостаточный синтез инсулина. К расстройствам обмена относят также усиленный распад гликогена в печени и мышцах, замедление биосинтеза белков и жиров, снижение скорости окисления глюкозы в тканях, развитие отрицательного азотистого баланса, увеличение содержания холестерина и других липидов в крови. [5]

3.3 Почечный порог для глюкозы, глюкозурия

Когда содержание глюкозы в крови достигает относительно высокого уровня, в процесс регуляции включаются и почки. Глюкоза фильтруется почечными клубочками и обычно полностью возвращается в кровь в результате реабсорбции (обратного всасывания) в почечных канальцах. Процесс реабсорбции глюкозы связан с расходованием АТР в клетках почечных канальцев. Максимальная скорость реабсорбции глюкозы в почечных канальцах около 350 мг-мин-1. При повышенном содержании глюкозы в крови клубочковый фильтрат содержит больше глюкозы, чем может быть реабсорбировано в канальцах. Избыток глюкозы выводится с мочой, т. е. возникает гликозурия. У здоровых людей гликозурия наблюдается в том случае, если содержание глюкозы в венозной крови превышает 170—180 мг/100 мл; этот уровень называют почечным порогом для глюкозы.

Инсулин повышает толерантность организма к глюкозе. При его введении содержание глюкозы в крови снижается, а ее потребление и содержание в виде гликогена в печени и мышцах увеличиваются. При введении избытка инсулина может возникнуть тяжелая гипогликемия, сопровождающаяся судорогами; если в этом состоянии быстро не ввести глюкозу, то может наступить летальный исход. У человека гипогликемические судороги появляются при быстром снижении содержания глюкозы в крови до 20 мг/100 мл. Повышенная толерантность к глюкозе наблюдается при недостаточной функции гипофиза или коры надпочечников; это является следствием снижения антагонистического эффекта гормонов, секретируемых этими железами, по отношению к инсулину. В результате «относительное содержание» инсулина в организме увеличивается.

Толерантность к глюкозе

О способности организма использовать глюкозу можно судить по его толерантности к ней. После введения определенного количества глюкозы строят кривые динамики содержания глюкозы в крови, которые характеризуют толерантность к глюкозе. При сахарном диабете она понижена из-за уменьшения количества секретируемого инсулина; при этом заболевании содержание глюкозы в крови повышается (гипергликемия), возникает гликозурия, могут происходить изменения в обмене жиров. Толерантность к глюкозе снижается не только при диабете, но и при некоторых состояниях, сопровождающихся нарушением функции печени, при ряде инфекционных заболеваний, ожирении, действии ряда лекарственных препаратов, а иногда и при атеросклерозе. Снижение толерантности к глюкозе может также наблюдаться при гиперфункции гипофиза или коры надпочечников вследствие антагонизма между гормонами, секретируемыми этими железами внутренней секреции, и инсулином.

Инсулин повышает толерантность организма к глюкозе. При его введении содержание глюкозы в крови снижается, а ее потребление и содержание в виде гликогена в печени и мышцах увеличиваются. При введении избытка инсулина может возникнуть тяжелая гипогликемия, сопровождающаяся судорогами; если в этом состоянии быстро не ввести глюкозу, то может наступить летальный исход. У человека гипогликемические судороги появляются при быстром снижении содержания глюкозы в крови до 20 мг/100 мл. Повышенная толерантность к глюкозе наблюдается при недостаточной функции гипофиза или коры надпочечников; это является следствием снижения антагонистического эффекта гормонов, секретируемых этими железами, по отношению к инсулину. В результате «относительное содержание» инсулина в организме увеличивается. См. Приложение 4.

3.4 Гипогликемия

Нередко связана с понижением функций тех эндокринных желез, повышение функции которых приводит, как это было отмечено выше, к гипергликемии. В частности, гипогликемию можно наблюдать при гипофизарной кахексии, адцисоновой болезни, гипотиреозе. Резкое снижение глюкозы в крови отмечается при аденомах островковой ткани поджелудочной железы вследствие повышенной продукции инсулина (3-клетками панкреатических островков. Кроме того, гипогликемия может быть вызвана голоданием, продолжительной физической работой, приемом (3-ганглиоблокаторов. Низкий уровень глюкозы в крови иногда отмечается при беременности, лактации.

Гипогликемия может возникнуть также при введении больным сахарным диабетом больших доз инсулина. Гипогликемия, как правило, сопровождает почечную глюкозурию, возникающую вследствие снижения почечного порога для глюкозы. 5]

Заключение

Углеводы, а в данном случае глюкоза, является одним из основных энергетических ресурсов живого организма. Обмен глюкозы в организме регулируется гормонами, вырабатываемыми разными железами. Главная их роль — поддержание нормального уровня глюкозы в крови.

Гормональные регуляторы глюкозного обмена по действию на общее направление обмена и уровень гликемии могут быть условно разделены на два типа. Первый тип гормонов стимулирует утилизацию глюкозы тканями и ее депонирование в форме гликогена, но тормозит глюконеогенез, и, следовательно, вызывает снижение концентрации глюкозы в крови. Второй тип гормонов стимулирует распад гликогена и глюконеогенез, а следовательно, вызывает повышение содержания глюкозы в крови.

Нарушение обмена глюкозы за счёт гипоили гиперсекреции гормонов, регулирующих её обмен, в организме развиваются патологические состояния, такие как сахарный диабет, глюкозурия, гипогликемия и др.

О способности организма использовать глюкозу можно судить по его толерантности к ней экспериментальными путями.

Список используемой литературы

1. http://dommedika.com/phisiology/476.html

2. Биохимия человека: В 2х томах. Т. 1. Пер. с англ.: -М.: Мир, 1993. 384с., ил.

3. http://www.cmd-online.ru/help/articles/glucose

4. http://www.krasotulya.ru/forum/index.php?showtopic=3297

5. Берёзов Т. Т., Коровкин Б. Ф. Биологическая химия: Учебник/Под ред. Акад. АМН СССР С. С. Деброва.- 2-е изд., переработ. И доп.- М.: Медицина, 1990. 528 с.: ил.- (Учеб. Лит. Для студ. Мед. Ин-тов).

6. Биохимия: Учеб. для вузов, Под ред. Е. С. Северина., 2003. 779 с.

7.Балаболкин М. И., Гаврилюк Л. И. Диагностический справочник эндокринолога. Кишинев: Картя молдавеняска, 1984.

Приложение 1

Приложение 2

Механизм активации фосфорилазы [7]

Приложение 3

Приложение 4