Основная роль углеводов определяется их энергетической функцией. И хотя при окислении 1 г углеводов образуется столько же энергии, сколько и при окислении 1 г белка (17,6 кДж), но за счет количества потребляемых углеводов (соотношение белков, жиров и углеводов составляет 1:1: 4) и быстрой мобилизации глюкоза крови является непосредственным источником энергии в организме. Быстрота ее распада и окисления, а также возможность быстрого извлечения из депо обеспечивают экстренную мобилизацию энергетических ресурсов при стремительно нарастающих затратах энергии в случаях эмоционального возбуждения, при интенсивных мышечных нагрузках и др.
Уровень глюкозы в крови составляет 3,3-5,5 ммоль/л (60- 100 мг%) и является важнейшей гомеостатической константой организма. Особенно чувствительной к понижению уровня глюкозы в крови (гипогликемия) является ЦНС. Незначительная гипогликемия проявляется общей слабостью и быстрой утомляемостью. При снижении уровня глюкозы в крови до 2,2-1,7 ммоль/л (40-30 мг%) развиваются судороги, бред, потеря сознания, а также вегетативные реакции: усиленное потоотделение, изменение просвета кожных сосудов и др. Это состояние получило название «гипогликемическая кома». Введение в кровь глюкозы быстро устраняет данные расстройства.
Изменения углеводов в организме. Глюкоза, поступающая в кровь из кишечника, транспортируется в печень, где из нее синтезируется гликоген (рис. 9.7 ).
Рис. 9.7.
Гликоген печени представляет собой резервный, т.е. отложенный в запас, углевод. Количество его может достигать у взрослого человека 150-200 г. Образование гликогена при относительно медленном поступлении глюкозы в кровь происходит достаточно быстро, поэтому после введения небольшого количества углеводов повышения содержания глюкозы в крови (гипергликемии) не наблюдается. Если же в пищеварительный тракт поступает большое количество легко расщепляющихся и быстро всасывающихся углеводов, содержание глюкозы в крови быстро увеличивается. Развивающуюся при этом гипергликемию называют алиментарной, иначе говоря, пищевой. Ее результатом является глюкозурия, т.е. выделение глюкозы с мочой, которое наступает в том случае, если уровень глюкозы в крови повышается до 8,9-10,0 ммоль/л (160- 180 мг%).
При полном отсутствии углеводов в пище они образуются в организме из продуктов распада жиров и белков.
По мере уменьшения концентрации глюкозы в крови происходит расщепление гликогена в печени и поступление глюкозы в кровь (мобилизация гликогена). Благодаря этому сохраняется относительное постоянство содержания глюкозы в крови.
Гликоген откладывается также в мышцах, где его содержится около 1-2%. Количество гликогена в мышцах увеличивается в случае обильного питания и уменьшается во время голодания. При работе мышц под влиянием фермента фосфорилазы, которая активируется в начале мышечного сокращения, происходит усиленное расщепление гликогена, являющегося одним из источников энергии мышечного сокращения.
Захват глюкозы разными органами из притекающей крови неодинаков: мозг задерживает 12% глюкозы, кишечник - 9%, мышцы - 7%, почки - 5% (Е.С. Лондон).
Распад углеводов в организме животных происходит как бескислородным путем до молочной кислоты (анаэробный гликолиз), так и путем окисления продуктов распада углеводов до углекислого газа и воды (аэробный путь).
Регуляция обмена углеводов. Основным параметром регулирования углеводного обмена является поддержание уровня глюкозы в крови в пределах 3,3-5,5 ммоль/л. Изменение содержания глюкозы в крови воспринимается глюкорецепторами, сосредоточенными в основном в печени и сосудах, а также клетками вентромедиального отдела гипоталамуса. Показано участие ряда отделов ЦНС в регуляции углеводного обмена.
Клод Бернар еще в 1849 г. показал, что укол продолговатого мозга в области дна IV желудочка (так называемый сахарный укол) вызывает увеличение содержания глюкозы (сахара) в крови. При раздражении гипоталамуса можно получить такую же гипергликемию, как и при уколе в дно IV желудочка. Роль коры головного мозга в регуляции уровня глюкозы крови иллюстрирует развитие гипергликемии у студентов во время экзаменов, у спортсменов перед ответственными соревнованиями, а также при гипнотическом внушении. Центральным звеном регуляции углеводного и других видов обмена и местом формирования сигналов, управляющих уровнем глюкозы, является гипоталамус. Отсюда регулирующие влияния реализуются вегетативными нервами и гуморальным путем, включающим эндокринные железы (рис. 9.8).
Выраженным влиянием на углеводный обмен обладает инсулин - гормон, вырабатываемый (3-клетками островковой ткани поджелудочной железы. При введении инсулина уровень глюкозы в крови снижается. Это происходит за счет усиления инсулином синтеза гликогена в печени и мышцах и повышения потребления глюкозы тканями организма. Инсулин является единственным гормоном, понижающим уровень глюкозы в крови, поэтому при уменьшении секреции этого гормона развиваются стойкая гипергликемия и последующая глюко- зурия (сахарный диабет, или сахарное мочеизнурение).
Рис. 9.8.
Увеличение уровня глюкозы в крови возникает при действии нескольких гормонов: глюкагона, продуцируемого а-клетками островковой ткани поджелудочной железы; адреналина - гормона мозгового слоя надпочечников; глюкокортикоидов - гормонов коркового слоя надпочечника, которые вызывают главным образом синтез углеводов из неуглеводных соединений - глюконеогенез; соматотропного гормона гипофиза; тироксина и трийодтиронина - гормонов щитовидной железы. В связи с однонаправленностью их влияния на углеводный обмен и функциональным антагонизмом по отношению к эффектам инсулина эти гормоны часто объединяют понятием «контринсулярные гормоны».
- См.: Коробков А. В. Указ. соч.
Углеводы выполняют важнейшую энергетическую функцию и играют значимую роль в организме. Непосредственным источником энергии в организме является глюкоза крови. Возможность ее быстрого извлечения из депо, скорость распада и окисления обеспечивают экстренную мобилизацию энергетических ресурсов при возрастающих затратах энергии во время эмоциональных возбуждений, при интенсивных мышечных нагрузках и в других случаях.
Уровень глюкозы в крови составляет 3,3 - 5,5 ммоль/л. ЦНС особенно чувствительна к понижению уровня глюкозы в крови (гипогликемия). Даже небольшая гипогликемия проявляется быстрой утомляемостью, общей слабостью. Если уровень глюкозы в крови снижается до 2,2 -1,7 ммоль/л, то наблюдаются такие симптомы как бред, потеря сознания, судороги, изменение просвета кожных сосудов, повышенное потоотделение. Данное состояние организма получило название «гипогликемической комы», все эти расстройства быстро удаляются введением в кровь глюкозы.
Гликоген печени является резервным, отложенным в запас углеводом. У взрослого человека его количество может достигать 150-200 г. При относительно медленном поступлении глюкозы в кровь, образование гликогена происходит достаточно быстро, поэтому после введения небольшого количества углеводов гипергликемия, т.е. повышение уровня глюкозы в крови, не происходит. Но если в организм поступает большое количество быстровсасывающихся и легкорасщепляющихся углеводов, то происходит быстрое увеличение уровня глюкозы в крови. Такую гипергликемию называют алиментарной или пищевой.
Если в организме полностью отсутствуют углеводы, то в организме они образуются из продуктов распада белков и жиров.
В крови по мере уменьшения количества глюкозы происходят расщепление гликогена в печени и поступление глюкозы в кровь, именно благодаря этому и сохраняется относительное постоянство содержания глюкозы в крови.
В мышцах так же откладывается гликоген, тут его содержится около 1-2%. Количество гликогена в мышцах уменьшается во время голода и возрастает во время хорошего питания. Во время физической нагрузки под действием фосфорилазы происходит усиленное расщепление гликогена, который является одним «двигателей» мышечного сокращения.
В организме животных распад углеводов происходит как анаэробно до молочной кислоты, так и окисление продуктов распада углеводов до CO2 и Н2О.
Поддержание уровня глюкозы в крови на уровне 4,4-6,7 ммоль/л, является основным параметром регулирования углеводного обмена.
Еще в 1849 г. Клод Бернар показал, что укол продолговатого мозга (т.н. сахарный укол) в области дна 4 желудочка вызывает увеличение содержания сахара в крови. Такая же гипергликемия наблюдается и при раздражении гипоталамуса. Роль коры головного мозга в регуляции уровня сахара демонстрирует развитие гипергликемии у спортсменов перед важными соревнованиями, или у студентов в период сессии. Гипоталамус является центральным звеном регуляции углеводного обмена, а так же местом формирования сигналов, управляющих уровнем глюкозы.
Инсулин обладает выраженным влиянием на углеводный обмен, инсулин вырабатывается в-клетками островковой ткани поджелудочной железы. Уровень сахара в крови снижается при введении инсулина. Это происходит за счет повышения потребления глюкозы тканями организма и за счет усиления синтеза гликогена в печени и мышцах. Единственным источником понижения уровня глюкозы в крови является именно инсулин.
Увеличение уровня сахара в крови возникает при действии многих гормонов. Это адреналин- гормон мозгового слоя надпочечников; трийодтиронин и тироксин - гормоны щитовидной железы; глюкокортикоиды-корковый слой надпочечников; глюкагон, который продуцируется б-клетками поджелудочной железы. Эти гормоны, в связи с однонаправленноcтью их влияния на углеводный обмен и функциональным антагонизмом часто объединияют под понятием «контринсулярные гормоны» .
В нервной ткани, составляющей всего 2% массы тела человека, потребляется 20% кислорода, поступающего в организм. За сутки в мозге окисляется 100-120 г глюкозы. В состоянии спокойного бодрствования на долю мозга приходится примерно 15 % общего метаболизма, следовательно, в покое метаболизм мозга на единицу массы ткани примерно в 7,5 раз превышает усредненный метаболизм тканей, не относящихся к нервной системе. Большая часть повышенного метаболизма мозга связана именно с нейронами, а не с глиальной тканью.
Главным потребителем энергии в нейронах являются ионные насосы их мембран, транспортирующие главным образом ионы натрия и кальция наружу, а калия – внутрь клетки. Во время проведения потенциала действия увеличивается потребность в дополнительном мембранном транспорте для восстановления соответствующей разности концентраций ионов по обе стороны мембран нейронов. Функция нервной клетки заключается в проведении нервного импульса, который зависит от градиента концентрации ионов K+ и Nа+ внутри и вне клетки. АТФ необходима для поддержания активной работы Nа+/K+ - АТФ-азы - фермента, поддерживающего потенциал покоя и восстанавливающего его после прохождения нервного импульса.
Поэтому, во время интенсивной мозговой активности метаболизм нервной ткани может возрастать на 100-150 % . Основной путь получения энергии - аэробный распад глюкозы по ГБФ-пути. Глюкоза является почти единственным энергетическим субстратом, поступающим в нервную ткань, который может быть использован ее клетками для образования АТФ. Полное окисление 1 грамм-молекулы глюкозы сопровождается выделением 686000 калорий энергии, при этом только 12000 калорий необходимо для образования 1 грамм-молекулы АТФ. За счет последовательного поэтапного расщепления молекулы глюкозы при окислении каждого моля образуется 38 моль АТФ. Проникновение глюкозы в ткань мозга не зависит от действия инсулина, который не проникает через гематоэнцефалический барьер. Влияние инсулина проявляется лишь в периферических нервах. следовательно, у больных тяжелым диабетом при практически нулевом уровне секреции инсулина глюкоза легко диффундирует в нейроны, что чрезвычайно важно для предупреждения потери умственных функций у данной категории больных.
В нормальных условиях почти вся энергия, используемая клетками мозга обеспечивается глюкозой, доставляемой кровью. Глюкоза должна постоянно доставляться из капиллярной крови: в любой момент необходим двухминутный запас глюкозы в нейронах в виде гликогена. Окисление неуглеводных субстратов с целью получения энергии невозможно, поэтому при гипогликемии и/или даже кратковременной гипоксии в нервной ткани образуется мало АТФ. Следствием этого являются быстрое наступление коматозного состояния и необратимых изменений в ткани мозга. Процессы метаболизма глюкозы осуществляются в теле нейрона, и его отростках, шванновских клетках (миелиновой оболочке), следовательно, все отделы нервной ткани способны синтезировать АТФ.
Высокая скорость потребления глюкозы нервными клетками обеспечивается, в первую очередь, работой высокоактивной гексокиназы мозга. В отличие от других тканей, здесь гексокиназа не является ключевым ферментом всех путей метаболизма глюкозы. Гексокиназа мозга обладает в 20 раз большей активностью, чем соответствующий изофермент печени и мышц. Под воздействием гексокиназы и при участии АТФ глюкоза превращается в глюкозо-6-фосфат. Фосфорелирование глюкозы является необратимым процессом и служит способом захвата глюкозы клетками.
Глюкоза немедленно связывается с фосфатом и в такой форме уже не может покинуть клетку. Активность изоцитратдегидрогеназы даже при нормальном уровне утилизации глюкозы в состоянии покоя максимальна. Поэтому при повышенном энергопотреблении нет возможностей ускорения реакций ЦТК. Образование НАДФН2, который используется в нервной ткани в основном для синтеза жирных кислот и стероидов, обеспечивается сравнительно высокой скоростью протекания ГМФ-пути распада глюкозы. Энергия АТФ в нервной ткани используется неравномерно. Аналогично скелетным мышцам, функционирование нервной ткани сопровождается резкими перепадами в потреблении энергии. Скачкообразное повышение энергозатрат происходит при очень быстром переходе от сна к бодрствованию.
Для этого существует еще один механизм: образование креатинфосфата. Несмотря на исключительную важность АТФ в качестве способа трансформации энергии, это вещество не является самым представительным хранилищем макроэргических фосфатных связей в клетках Количество креатинфосфата, содержащего макроэргические фосфатные связи, в клетках в 3-8 раз больше. Кроме того, в условиях организма макроэргические фосфатные связи креатинфосфата содержат более 13000 к/моль.
В отличие от АТФ креатинфосфат не может действовать как агент, напрямую сопряженный с переносом энергии питательных веществ функциональным системам клетки, но он может обмениваться энергией с АТФ. Когда в клетках присутствует чрезвычайно большое количество АТФ, энергия АТФ используется для синтеза креатинфосфата, который становится дополнительным депо энергии. Затем, по мере использования АТФ, энергия, содержащаяся в фосфокреатине, быстро возвращается АТФ, которую последняя может передавать функциональным системам клеток. Эта реакция полностью обратима, ее направление зависит от соотношения АТФ/АДФ в клетках нервной ткани. В условиях покоя концентрация АДФ в клетках низка, поэтому химические реакции, которые зависят от АДФ как одного из субстратов, осуществляются медленно. Таким образом, АДФ является главным лимитирующим скорость фактором практически всех путей обмена энергии. Когда клетки активируются, АТФ превращается в АДФ, увеличивая его концентрацию пропорционально степени активности клетки. Повышение концентрации АДФ автоматически увеличивает скорость всех метаболических реакций, направленных на высвобождение энергии из питательных веществ. Снижение активности клетки приостанавливает высвобождение энергии вследствие очень быстрого превращения АДФ в АТФ.
Известно, что на работу мозга расходуется около 20% энергии, производимой человеческим организмом. Но на что расходует эту энергию сам мозг? До недавних пор считалось, что практически вся потребляемая мозгом энергия используется для передачи нервных импульсов, другими словами - на мыслительную деятельность. Сегодня полагают, что только две трети потребляемой мозгом энергии расходуется на распространение импульсов, а оставшаяся часть идёт на поддержание жизнедеятельности клеток самого мозга (С.Е.Северин, 2009). Эксперименты, проведённые на лабораторных крысах с использованием магнитно-резонансной томографии, помогли установить взаимосвязь между интенсивностью обмена веществ – "скоростью" синтеза молекулы АТФ – и энергопотреблением при различных уровнях мозговой активности. Это в свою очередь позволило оценить, какая часть общего расхода энергии не зависит от мозговой активности и расходуется на "собственные нужды", в данном случае на поддержание так называемого изоэлектрического состояния: равенства положительных и отрицательных зарядов в клетках мозговой ткани.
Известно, что физические упражнения приводят к значительному расходованию глюкозы мышцами. По этой причине в момент физических нагрузок уровень глюкозы в крови человека снижается. При этом мозг переходит на использование молочной кислоты. Одним из важнейших факторов, определяющих специфику реакции разных нейронов на недостаток кислорода, является их различие в энергетических потребностях. Последнее, по-видимому, определяется степенью разветвленности дендритов и общей площадью клеточной мембраны, поляризация которой требует постоянного расхода энергии. Системы и центры, включающие в себя преимущественно нейроны, богатые дендритами (новая кора с ее богатейшей сетью вставочных нейронов, клетки Пуркинье мозжечка), согласно этой гипотезе, оказываются особенно ранимыми при гипоксии.
Вероятно, существенную роль играют и особенности биохимии нейронов разных областей мозга (теория патоклиза - тенденция определенного анатомического образования центральной нервной системы реагировать определенным патологическим процессом на данный повреждающий фактор, например образование очагов некроза и кист в бледном шаре при отравлении окисью углерода (Рубенштейн, 1998). Именно различием биохимической структуры нейронов пытаются объяснить неодинаковую ранимость различных секторов гиппокампа. При умирании от кровопотери на фоне длительной артериальной гипотензии важнейшее значение приобретают особенности кровоснабжения различных образований мозга, так как в этих случаях в более выгодном положении оказываются области мозга, расположенные ближе к магистральным сосудам (подкорковые области, системы основания мозга, особенно ствол), функции которых угасают позднее функций новой коры больших полушарий.
Распределение областей повреждения в мозге, пережившем прекращение кровообращения, определяется как спецификой обмена веществ различных видов нейронов, так и особенностями кровоснабжения разных отделов и участков мозга. К этим двум факторам избирательной ранимости различных отделов мозга следует добавить фактор относительной сложности функции (и соответственно ее филогенетического «возраста»), так как более молодые в филогенетическом отношении функции, являющиеся и более сложными (например, мышление), обслуживаются большим числом нейронных систем, расположенных на многих, в том числе и на более высоких анатомических уровнях и, естественно, оказываются более уязвимыми при кислородном голодании. Немаловажное значение имеет и степень функциональной активности систем мозга (а следовательно, их энергетические потребности и состояние кровоснабжения) в момент возникновения гипоксии.
Углеводы - органические соединения, состоящие из углерода, водорода и кислорода. Роль углеводов для организма определяется их энергетической функцией. Углеводы (в виде глюкозы) служат непосредственным источником энергии почти для всех клеток организма. В организме содержание углеводов составляет около 2% сухой массы. Особенно велика роль углеводов для клеток головного мозга. Глюкоза обеспечивает энергетическую базу мозговой ткани, она необходима для дыхания мозга, для синтеза макроэргических соединений и медиаторов, без которых не может функционировать нервная система. Велика также роль глюкозы для мышечной ткани, особенно в период активной мышечной деятельности, поскольку мышцы в конечном итоге функционируют благодаря анаэробному и аэробному распаду углеводов.
Углеводы выполняют в организме роль резервного энергетического вещества, легко мобилизуемого в соответствии с потребностями организма. Таким резервным углеводом является гликоген. Его присутствие помогает организму сохранить постоянство углеводного питания тканей даже при условии длительных перерывов в поступлении пищи. Углеводы играют важную пластическую роль, входя в состав цитоплазмы и субклеточных образований: костей, хрящей и соединительной ткани. Являясь обязательной составной частью биологических жидкостей организма, углеводы играют немалую роль в процессе осмоса. Наконец, они входят в сложные соединения, выполняющие в организме специфические функции (нуклеиновые кислоты, мукополисахариды и др.), необходимые для обезжиривания химических веществ в печени и для иммунологической защиты организма.
Основная часть углеводов (около 70%), поступающих с пищей, окисляется до СО 2 и Н 2 О, покрывая тем самым значительную часть энергетических потребностей организма. Около 25-28% вводимой с пищей глюкозы превращается в жир и только 2 из 5% пищевой глюкозы синтезирует гликоген - резервный углевод организма.
При уменьшении уровня сахара в крови (гипогликемия) наблюдается падение температуры тела и мышечная слабость.
Основные этапы обмена углеводов . Углеводный обмен - процесс усвоения (синтеза, распада и выведения) клетками и тканями организма углеводов и углеводсодержащих веществ. Обмен углеводов состоит из следующих фаз: 1) переваривание углеводов в желудочно-кишечном тракте; 2) всасывание моносахаридов в кровь; 3) межуточный обмен углеводов; 4) ультрафильтрация и обратное всасывание глюкозы в почках.
Переваривание углеводов . Расщепление полисахаридов пищи начинается в полости рта, под действием фермента слюны - амилазы. Действие этого фермента слюны продолжается и в желудке до тех пор, пока под влиянием кислого желудочного сока не произойдет инактивация фермента. Дальнейшее расщепление углеводов продолжается в 12-перстной кишке под действием ферментов поджелудочной железы и собственно кишечных ферментов. Углеводы расщепляются до стадии глюкозы - ферментом мальтазой. Этот же фермент расщепляет дисахарид сахарозу до глюкозы и фруктозы. Принятая с пищей лактоза под действием фермента лактазы расщепляется до глюкозы и галактозы. Таким образом, в результате ферментативных процессов углеводы пищи превращаются в моносахариды: глюкозу, фруктозу и галактозу.
Всасывание углеводов . Моносахариды всасываются, главным образом, в тонком кишечнике через ворсинки слизистой оболочки и поступают в кровь воротной вены. Скорость всасывания моносахаридов различна. Если принять скорость всасывания за 100, то соответственная величина для галактозы будет 110, для фруктозы - 43. Всасывание глюкозы и галактозы происходит в результате активного транспорта, то есть с затратой энергии и при участии специальных транспортных систем. Активность всасывания этих моносахаридов усиливается транспортом Nа + через мембраны эпителия.
Всасывание глюкозы активируется гормонами коры надпочечников, тироксином, инсулином, а также серотонином и ацетилхоллином. Адреналин наоборот подавляет всасывание глюкозы из кишечника.
Межуточный обмен углеводов . Всосавшиеся через слизистую оболочку тонкого кишечника моносахариды переносятся током крови в головной мозг, печень, к мышцам и другим тканям, где они претерпевают различные превращения (рис. 23).
Рис. 23. Превращение углеводов в обмене веществ (по: Андреева и др., 1998)
1. В печени из глюкозы синтезируется гликоген, и этот процесс называется гликогенезом. В случае необходимости гликоген вновь распадается до глюкозы, то есть происходит гликогенолиз. Образовавшаяся глюкоза выделяется печенью в общий ток кровообращения.
2. Часть поступившей в печень глюкозы может подвергнуться окислению с выделением энергии, необходимой организму.
3. Глюкоза может стать источником синтеза неуглеводов, в частности белков и жиров.
4. Глюкоза может быть использована для синтеза некоторых веществ, необходимых для особых функций организма. Так, из глюкозы образуется глюкуроновая кислота - продукт, необходимый для осуществления обезвреживающей функции печени.
5. В печени может происходить новообразование углеводов из продуктов распада жиров и белков - глюконеогезе.
Глюкогенез и глюконеогенез взаимосвязаны и направлены на поддержание постоянства уровня сахара в крови. Печень человека выделяет в кровь в среднем 3,5 мг глюкозы на 1 кг массы в минуту или 116 мг на 1 м 2 поверхности тела. Способность печени регулировать процессы углеводного обмена и поддерживать уровень сахара в крови называется гомеостатической функцией, в основе которой лежит способность печеночной клетки изменять свою активность в зависимости от концентрации сахара в притекающей крови.
В углеводном обмене большой удельный вес занимает мышечная ткань. Мышцы, особенно в активном состоянии захватывают из крови большое количество глюкозы. В мышцах так же, как и в печени, синтезируется гликоген. Распад гликогена - один из источников энергетики мышечного сокращения. Мышечный гликоген расщепляется до молочной кислоты и этот процесс называется гликолизом . Затем часть молочной кислоты поступает в кровь и поглощается печенью для синтеза гликогена.
Головной мозг содержит очень большие запасы углеводов, поэтому для полноценной функции нервных клеток необходим постоянный приток в них глюкозы. Мозг поглощает около 69% глюкозы, выделяемой печенью (Држевецкая , 1994). Поступившая в мозг глюкоза преимущественно окисляется, а небольшая часть ее превращается в молочную кислоту. Энергетические расходы мозга почти исключительно покрываются за счет углеводов, и это отличает мозг от всех других органов.
Ультрафильтрация и реабсорбция глюкозы . На первом этапе процесса мочеобразования, то есть во время ультрафильтрации в клубочковом аппарате, глюкоза переходит из крови в первичную мочу. В процессе дальнейшей реабсорбции в канальцевой части нефрона глюкоза вновь возвращается в кровь. Обратное всасывание глюкозы представляет собой активный процесс, происходящий с участием ферментов эпителия почечных канальцев.
Таким образом, почки участвуют в поддержании постоянства сахара во внутренней среде организма.
Возрастные особенности углеводного обмена . У плода на единицу массы тела ткани получают меньше кислорода, чем после рождения, что обусловливает преобладание анаэробного пути распада углеводов над аэробным. Поэтому в крови плода уровень молочной кислоты выше, чем у взрослых людей. Оказанная особенность сохраняется и в период новорожденности, и только к концу первого месяца у ребенка существенно увеличивается активность ферментов аэробного распада углеводов. Для новорожденного характерна гипогликемия (всего 2,2-2,5 моль/л, то есть вдвое меньше, чем у взрослых), поскольку во время родов резко истощаются запасы гликогена в печени - единственного источника глюкозы в крови.
Углеводы в организме ребенка являются не только основным источником энергии, но в виде глюкопротеидов и мукополисахаридов играют важную пластическую роль при создании основного вещества соединительной ткани клеточных мембран (Рачев и др., 1962).
Для детей характерна большая интенсивность углеводного обмена.
В детском организме ослаблено образование углеводов из белков и жиров (гликогенолиз), так как рост требует усиленного расхода белковых и жировых запасов организма. Углеводы в детском организме откладываются в мышцах, печени и других органах в незначительном количестве. В грудном возрасте на 1 кг веса ребенок должен получать 10-12 г углеводов, за счет которых покрывается около 40% всей энергетической потребности. В последующие годы количество углеводов колеблется от 8-9 до 12-15 г на 1 кг веса, причем за их счет покрывается уже до 50-60% всей калорийной потребности.
Суточное количество углеводов, которое дети должны получать с пищей, значительно увеличивается с возрастом: от 1 года до 3 лет - 193 г, от 4 до 7 лет - 287,9 г, от 8 до 13 лет - 370 г, от 14 до 17 лет - 470 г, что почти равно норме взрослого (по данным института питания РАМН).
Высокая потребность в углеводах у растущего ребенка отчасти объясняется тем обстоятельством, что рост тесно связан с процессами гликолиза, ферментативным распадом углеводов, сопровождающихся образованием молочной кислоты. Чем моложе ребенок, тем быстрее происходит его рост и больше интенсивность гликолетических процессов. Так, в среднем у ребенка на 1-м году жизни гликолитические процессы на 35% интенсивнее, чем у взрослых.
Представление об особенностях углеводного обмена у детей дает пищеварительная гипергликемия. Максимальный уровень сахара в крови большей частью отличается уже через 30 минут после приема пищи. Через 1 час кривая сахара начинает снижаться, и приблизительно через 2 часа уровень сахара в крови возвращается к исходному уровню или даже незначительно снижается.
Особенностью организма детей и подростков является менее совершенный углеводный обмен в смысле возможности быстрой мобилизации внутренних углеводных ресурсов организма и особенно поддержания углеводного обмена при выполнении физической нагрузки. При сильном утомлении во время продолжительных спортивных соревнований прием нескольких кусочков сахара улучшает состояние организма.
У детей и подростков при выполнении различных физических упражнений наблюдалось как правило, снижение сахара в крови, в то же время, как у взрослых, выполнение тех же гимнастических упражнений сопровождалось в среднем повышением уровня сахара в крови (Яковлев , 1962).
Глюкоза - главный энергетический субстрат нервной клетки. Запасы гликогена в мозге незначительны (0.1% от массы мозга). Гликоген сосредоточен, главным образом, в астроглии. Высокая потребность в энергии при низких запасах гликогена ставит нервные клетки в прямую зависимость от доставки глюкозы из крови. Из 8.9 мг глюкозы, окисленной в мозге, в сосудистое русло возвращается 1.2 мг лактата и 0.1 мг пировиноградной кислоты. Это свидетельствует о том, что основным способом окисления глюкозы является аэробное окисление. Активность гексокиназы в мозге почти в 20 раз превышает таковую в других тканях. Этот фермент прочно связан с митохондриями и в сравнении с гексокиназами мышц и печени имеет более высокое сродство к глюкозе. Подобно другим тканям, в мозге фосфофруктокиназа является основным ключевым ферментом, активность которого определяет скорость потребления глюкозы. Активаторами фермента являются фруктозо-6-фосфат, АДФ, АМФ, а ингибиторами - продукты реакции, АТФ и лимонная кислота. Перечисленные вещества позволяют осуществлять регуляцию расходования глюкозы в соответствии с метаболическими потребностями клетки.
Ферменты гликолиза расположены не только в теле нейрона, но находятся и в нервных окончаниях, где обеспечивают энергией работу синапсов. Во время роста и развития мозга довольно значительная доля глюкозы окисляется по пентозофосфатному пути. НАДФН + , образуемый в этом процессе, используется в реакциях синтеза холестерола, жирных кислот и в механизмах антиоксидантной защиты.
Потребность в глюкозе довольно высокая. В спокойном состоянии мозг потребляет около 5 мг глюкозы в мин на 100 г массы мозга. В обычных условиях эта потребность удовлетворяется, однако гипогликемия вызывает нарушения функции клеток мозга. Это выражается в потере сознания и судорогах. При голодании в первые часы происходит мобилизация глюкозы из депо, затем уровень глюкозы в крови поддерживается благодаря глюконеогенезу. В более поздние сроки (1 неделя) голодания в качестве источника энергии нервные клетки могут использовать кетоновые тела. Инсулин не оказывает прямого влияния на потребление глюкозы клетками мозга.
Особенности обмена белков и аминокислот
Поступление аминокислот из крови в клетки мозга зависит от особенностей клеток и от гемато-энцефалического барьера. Способность клеток нервной ткани к накоплению аминокислот ограничена. В мозге имеется несколько самостоятельных зависимых от ионов натрия транспортных систем для отдельных групп аминокислот: две системы для транспорта нейтральных аминокислот и отдельные системы для транспорта кислых и основных аминокислот. Преобладающими аминокислотами в клетках нервной ткани (75% от всех аминокислот) являются глутаминовая и аспарагиновая кислоты и их производные (N-ацетиласпарагиновая, глутамин, глутатион) и ГАМК. В более высокой концентрации в мозге, по сравнению с другими клетками, находятся таурин (для него даже есть специальная система транспорта), цистатионин. Некоторые аминокислоты мозга выполняют функции нейромедиаторов (глицин, глутаминовая кислота) или используются для их синтеза (тирозин - для дофамина и норадреналина, триптофан - для серотонина, глутаминовая кислота - для ГАМК).
Некоторые реакции обмена аминокислот в мозге с участием дикарбоновых аминокислот показаны на рис.18.5. Как известно, ГАМК образуется путем декарбоксилирования глутаминовой кислоты. В головном и спинном мозге она находится в больших концентрациях. ГАМК может подвергаться переаминированию с a-кетоглутаратом с образованием янтарного полуальдегида и глутаминовой кислоты. Первый окисляется до сукцината, который включается в цикл трикарбоновых кислот. Это так называемый “шунт ГАМК“. Через него проходит до 20% -кетоглутаровой кислоты мозга. Глутаминовая кислота занимает центральное место в обмене аминокислот мозга.
Рис. 18.5. Обмен аминокислот в мозге
В мозге открыта активность почти всех ферментов синтеза мочевины (кроме карбомоилфосфат синтетазы). Поэтому образование мочевины в мозге не происходит.
Нарушение поступления и обмена аминокислот вызывает значительные изменения функций.
Особенности образования аммиака
Аммиак образуется в мозге, главным образом, при участии аденилатдезаминазы (рис. 18.6). Атом азота аминокислоты через систему глутамат - аспартат попадает в аденилат (АМФ), который и дезаминируется. Аммиак оказывает токсическое действие на функции нейронов. Это связано с особенностями механизмов его обезвреживания в нервной ткани. Основное место в обезвреживании аммиака занимают реакции образования глютамина. В этом процессе принимают участие глутаматдегидрогеназа и глутаминсинтетаза. В качестве исходного субстрата для образования глутамина используется важный промежуточный продукт цикла трикарбоновых кислот - -кетоглутаровая кислота. Считается, что при увеличении концентрации аммиака в крови значительная часть этой кислоты используется для связывания аммиака. В результате происходит “утечка” субстратов из цикла трикарбоновых кислот. Это, в свою очередь, нарушает процессы окисления и ухудшает энергообеспеченность нервных клеток.
Рис.18.6. Схема образования аммиака в клетках мозга
Нервная ткань характеризуется высоким содержанием РНК и довольно большой скоростью образования этих молекул. В ткани мозга содержится полный набор ферментов синтеза de novo пуриновых нуклеотидов, а синтез de novo пиримидиновых нуклеотидов невозможен из-за отсутствия карбомоилфосфатсинтетазы. Зато нуклеозиды легко проходят гемато-энцефалический барьер и могут повторно включаться в синтез нуклеотидов. Недостаток одного из ферментов, катализирующих повторное использование нуклеозидов, приводит к тяжелому нарушению функций мозга (синдром Леш-Нихана).
Особенности обмена липидов
Нервная ткань отличается высокой интенсивностью обмена липидов в период развития организма и относительной стабильностью обмена у взрослого. Как уже указывалось, скорость обновления липидов мозга довольно низкая. Длительное голодание несущественно влияет на липидный обмен нервной ткани. В молодом возрасте нервные клетки способны синтезировать холестерол, однако в последующем идет постепенное снижение активности гидроксиметилглутарилредуктазы, замедление и прекращение синтеза холестерола. Активное образование сложных липидов идет в период миелинизации. Врожденные нарушения обмена сложных липидов сопровождаются тяжелыми нарушениями функций мозга (см. главу "Обмен липидов").
Метаболические взаимоотношения нейронов и глиальных клеток
Как уже упоминалось, нервная ткань представляет сложно организованную систему клеток, причем значительную долю в ней занимают клетки нейроглии. Свыше 50% от общего числа клеток мозга приходится на долю астроцитов, что составляет около 30% всего объема мозга. Внеклеточное пространство мозга сравнительно небольшое и составляет примерно 10% общего объема мозга. Поэтому незначительные изменения объема клеток и прежде всего астроглии, влекут за собой значительные изменения количества компонентов внеклеточного пространства, что может оказывать существенное влияние на функции нервных клеток.
Становится очевидным, что на транспортные свойства мембран нейроглии ложится ответственность по регуляции состава и обмена внеклеточной жидкости нервной ткани. Кроме того, учитывая особенности анатомических взаимоотношений между нейроглией и нейронами, нейроглиальные клетки оказывают существенное влияние на процессы транспорта метаболитов из крови к нейронам и обратно. К этому следует добавить, что основные запасы гликогена также сосредоточены в нейроглии, что еще больше подчеркивает ее важность в трофике нейронов.
Между нейронами и астроцитами происходит активный обмен информацией, поскольку нейроглиальные клетки способны синтезировать и секретировать разнообразные факторы роста и медиаторы, причем нейроглия разных отделов мозга секретирует разные соединения. Например, энкефалины образуются нейроглией мозжечка, коры мозга, гипоталамуса в ответ на стимуляцию их -рецепторов, а соматостатин образуется в нейроглии мозжечка, но не коры или полосатого тела. Астроциты могут синтезировать фактор роста нервов, инсулино-подобные факторы роста. Кроме того, мембраны астроцитов имеют рецепторы, позволяющие им реагировать на медиаторы нейронов. Среди такого рода рецепторов можно назвать, кроме упомянутых выше - адренорецепторов, также рецепторы к аминокислотам, в частности, ионо- и метаботропные глутаминовые рецепторы.
Известно, что, в отличие от ацетилхолина, избыток которого разрушается специфическим ферментом ацетилхолинэстеразой, глутаминовая кислота не имеет такого рода ферментов, и ее уровень в синаптической щели поддерживается благодаря специальным транспортным системам в мембране астроцитов. Описаны три транспортные системы для ГЛУ в астроцитах: Na + -зависимое поглощение, CI - -зависимый и Са 2+ -зависимый транспортные механизмы.
В области синаптической передачи с использованием глутаминовой кислоты медиатор взаимодействует не только с пре- и постсинаптическими мембранами, но и с мембранами отростков астроглиальных клеток, окружающих эту синаптическую область, на которых и расположены рецепторы к ГЛУ.
Активирование ионотропных ГЛУ- рецепторов открывает ионные каналы, что вызывает перенос ионов натрия внутрь клеток и обратный транспорт ионов калия. Это ведет к повышению количества ионов калия вне клеток и, в свою очередь, может привести к деполяризации пресинаптических терминалей и, в некоторых условиях, к дальнейшему высвобождению ГЛУ. В последующем повышенный уровень внеклеточного калия может оказать влияние на постсинаптическую передачу путем деполяризации нейронов и астроцитов. Опосредованная калием деполяризация постсинаптических мембран повышает нейрональную возбудимость. Внеклеточный калий, высвобождаемый при деполяризации нейронов, накапливается в клетках астроглии. Изменение уровня внеклеточного калия, высвобождаемого из нейронов, поглощение калия астроцитами и, таким образом, перераспределение ионов лежат в основе одного из путей, по которому астроглия и нейроны могут общаться между собой. Следует помнить о том, что астроциты обладают зависимым от калия и независимым от кальция механизмом высвобождения ГЛУ. Последний, в свою очередь, может оказать влияние на нейрональные ГЛУ рецепторы, образуя основу для контроля возбудимости нейронов.
Стимуляция метаботропных ГЛУ-рецепторов астроцитов ведет к активированию инозитольной системы внутриклеточных посредников, в результате чего повышается уровень внутриклеточного кальция. Это вызывает изменение активности многих Ca-зависимых регуляторных систем клетки. Астроглиальная активация ГЛУ рецепторов инициирует опосредованную кальцием передачу сигналов по щелевым контактам. Эта сигнальная система позволяет использовать внутриклеточные медиаторы для передачи сообщений, которые проводятся через глиальные клетки.
С влиянием ионов кальция связывают также и изменения объема астроцитов. Важное место в этом процессе отводится карбоангидразе, активность которой в 150-200 раз превышает таковую в нейронах. Под влиянием этого фермента происходит образование угольной кислоты, которая диссоциирует, и продукты диссоциации выводятся из клетки при участии Na + /H + и Cl - /HCO 3 - переносчиков. Такой обмен приводит к накоплению NaCl, повышению осмолярности внутри клеток и набуханию астроцитов. Набухание приводит к уменьшению объема внеклеточного пространства. Изменения объема клеток, зависимые от действия регуляторов и последовавшее за этим изменение внеклеточного пространства может регулировать локальные концентрации нейромедиаторов, метаболитов и факторов роста в отдельных областях мозга.
Предполагается, что система нейрон - астроглия может регулировать и микроциркуляцию в мозге. Анатомия астроглиальных клеток такова, что одна клетка может контактировать с несколькими синаптическими областями, с другими астроцитами и поддерживать контакты с капиллярами. Кандидатом в исполнители такой кооперации может быть оксид азота. ГЛУ стимулирует образование астроцитами NO, который способен увеличивать скорость кровотока.
Метаболические основы электрогенеза.
Метаболизм медиаторов в норме и при патологии.
Роль антиоксидантов, антигипоксантов, протекторов мембран.
В этом подразделе мы будем исходить из того, что читатель уже имеет представление об основах нейрофизиологии и нейроанатомии. Поэтому мы обсудим группу заболеваний, в механизме развития которых отчетливо просматриваются биохимические аспекты: миастению гравис, инсульт, заболевания, развившиеся вследствие мутаций в митохондриальной ДНК, синдром ломкой Х-хромосомы и другую патологию, обусловленную повтором триплетов в ДНК, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера и шизофрению.
Все названные нервно-психические расстройства характеризуются хроническим течением и нарушением интеллектуальных функций, приводящим к деградации личности. Примечательные данные приводит Национальный фонд исследования мозга (США). Только в этой стране прямые затраты на заболевания, связанные с расстройством функций мозга (психиатрические, неврологические, алкоголизм и др.), составляют более 401 млрд долларов в год или 1/7 всех расходов на здравоохранение США.