Нарушения метаболизма фруктозы

Эссенциальная фруктозурия

Генетический дефект фруктокиназы приводит к доброкачественной эссенциальной фруктозурии, протекающей безо всяких отрицательных симптомов.

Наследственная фруктозурия

Заболевание формируется вследствие наследственных аутосомно-рецессивных дефектов других ферментов обмена фруктозы. Частота 1:20000.

Дефект фруктозо-1-фосфатальдолазы, которая в норме присутствует в печени, кишечнике и корковом веществе почек, проявляется после введения в рацион младенца соков и фруктов, содержащих фруктозу.

Патогенез связан со снижением мобилизации гликогена из-за ингибирования гликогенфосфорилазы фруктозо-1-фосфатом и ослаблением глюконеогенеза, т.к. дефектный фермент способен участвовать в реакциях аналогично фруктозо-1,6-дифосфат-альдолазе. Проявляется заболевание снижением концентрации фосфатов в крови, гиперфруктоземией, тяжелой гипогликемией. Отмечается вялость, нарушения сознания, почечный канальцевый ацидоз.

Диагноз ставится исходя из "непонятного" заболевания печени, гипофосфатемии, гиперурикемии, гипогликемии и фруктозурии. Для подтверждения проводят тест толерантности к фруктозе. Лечение включает диету с ограничением сладостей, фруктов, овощей.

Дефект фруктозо-1,6-дифосфатазы проявляется сходно с предыдущим, но не так тяжело.

 

Глюкоза используется в полиоловом пути для синтеза фруктозы

Одним из путей метаболизма глюкозы является ее превращение в сорбитол и фруктозу в метаболическом пути, получившим название полиоловый путь. Для обеспечения реакций полиолового пути в клетках присутствует фермент альдозоредуктаза, которая превращает глюкозу в сорбитол. Обычно в данную реакцию попадает не более 1% глюкозы, и она используется для получения фруктозы в процессе синтеза глюкозаминов.

Полиоловый путь превращения глюкозы

Отдельное значение путь имеет в семенных пузырьках, которые синтезируют фруктозу для семенной жидкости. Сперматозоиды, находящиеся здесь, используют фруктозу в качестве основного энергетического субстрата, но при переходе в женские половые пути переключаются на глюкозу. Считается, что использование фруктозы повышает стабильность и предотвращает преждевременное разрушение акросомы спермия.

Клиническая значимость полиолового пути проявляется в инсулиннезависимых тканях, в которые глюкоза поступает неконтролируемо по градиенту концентрации – эндотелий, хрусталик глаза, клетки клубочков почек, но в первую очередь, нейроны. Путь активируется при гипергликемиях, когда поток глюкозы в клетки увеличивается и скорость синтеза сорбитола резко возрастает.

Накопление сорбитола в нейронах подавляет синтез циклического спирта инозитола, входящего в состав фосфолипидов и используемого при передаче гормонального сигнала, и снижает активность Na ⁺,K ⁺ -АТФазы, что нарушает проведение нервного импульса. Избыток в клетке осмотически активных сорбитола и фруктозы удерживает воду, изменяет форму клеток и их функциональную активность.

Избыточная работа альдозоредуктазы приводит к расходованию НАДФН в клетках, что подавляет ряд процессов, например

· восстановление глутатиона, используемого в антиоксидантной системе клеток и в метаболических процессах,

· реакцию синтеза вазодилататора оксида азота (NO),

· нейтрализация аммиака в реакции восстановительного аминирования α-кетоглутарата,

· микросомальное окисление.

 

Глюкоза имеет широкие возможности

Судьба глюкозы

После активации (фосфорилирования) глюкоза, в зависимости от условий и вида клетки, превращается по различным направлениям:

· часть глюкозы обязательно используется в энергетическом обмене, она сгорает в реакциях аэробного и анаэробного гликолиза для синтеза АТФ,

· при достаточно большом количестве глюкоза запасается в виде гликогена, к синтезу гликогена способны большинство тканей,

· в гепатоцитах (при высокой концентрации), в миоцитах и в адипоцитах глюкоза перенаправляется на синтез триацилглицеролов,

· в печени и иных тканях глюкоза используется для синтеза холестерола,

· при определенных условиях часть глюкозы идет в реакции пентозофосфатного пути, в котором образуются рибозо-5-фосфат и НАДФН,

· некоторая доля глюкозы используется для синтеза глюкозаминов и далее структурных или иных гетерополисахаридов.

Реакции превращения глюкозы в клетке

0

Гексокиназа - первый фермент метаболизма глюкозы

Наличие глюкозы в клетке обеспечивается, в первую очередь, облегченной диффузией ее из крови в цитозоль при участии специальных транспортных белков - глюкозных транспортеров (ГлюТ).

Активация глюкозы

После перемещения через мембраны глюкоза в цитозоле немедленно фосфорилируется ферментом гексокиназой, в связи с чем фермент образно называют " ловушка глюкозы ". Фосфорилирование глюкозы решает несколько задач:

· фосфатный эфир глюкозы не в состоянии выйти из клетки, так как молекула отрицательно заряжена и отталкивается от фосфолипидной поверхности мембраны,

· наличие заряженной группы обеспечивает правильную ориентацию молекулы в активном центре фермента,

· уменьшается концентрация свободной (нефосфорилированной) глюкозы в клетке, что способствует диффузии новых ее молекул из крови.

Дефосфорилирование глюкозы осуществляется глюкозо-6-фосфатазой. Этот фермент есть только в печени и почках. В эпителии канальцев почек работа фермента связана с реабсорбцией глюкозы. В гепатоцитах фермент необходим, когда печень поддерживает концентрацию глюкозы в крови при гипогликемии.

Реакции фосфорилирования и дефосфорилирования глюкозы

Кроме внешней среды (крови) источником глюкозы для клеток являются запасы гликогена, который используется как внутриклеточный резерв.

Вместе с этим, гепатоциты и канальцевый эпителий почек обладают способностью синтезировать глюкозу из неуглеводных компонентов (глюконеогенез). Но в данном случае глюкоза уходит из этих клеток в кровь и используется другими клетками.

Особенности глюкокиназы

Существуют принципиальные отличия метаболизма глюкозы в печени от других тканей. Это объясняется рядом причин и, в частности, наличием в тканях различных изоферментов гексокиназы. Для печени характерен особый изофермент гексокиназа IV, получивший собственное название – глюкокиназа. Отличиями этого фермента от гексокиназ других тканей являются:

· низкое сродство к глюкозе (в 1000 раз меньше), что ведет к захвату глюкозы печенью только при ее высокой концентрации в крови (после еды),

· продукт реакции глюкозо-6-фосфат не ингибирует фермент, в то время как в других тканях гексокиназа чувствительна к такому влиянию. Это позволяет гепатоциту в единицу времени захватывать и фосфорилировать глюкозы больше, чем он может сразу же утилизовать,

· чувствительность к действию инсулина – фермент активируется этим гормоном.

Благодаря таким отличиям гепатоцит может эффективно захватывать глюкозу после еды, накапливать и впоследствии метаболизировать ее в любом направлении:

· синтез гликогена (гликогеногенез),

· получение рибозо-5-фосфата (пентозофосфатный путь),

· окисление до ацетил-SКоА и синтез из него жирных кислот и холестерина.

· Гликоген - это легкоиспользуемый резерв энергии

· Мобилизация гликогена (гликогенолиз)

· Резервы гликогена используются по-разному в зависимости от функциональных особенностей клетки.

· Гликоген печени расщепляется при снижении концентрации глюкозы в крови, прежде всего между приемами пищи. Через 12-18 часов голодания запасы гликогена в печени полностью истощаются.

· В мышцах количество гликогена снижается обычно только во время физической нагрузки – длительной и/или напряженной. Гликоген здесь используется для обеспечения глюкозой работы самих миоцитов. Таким образом, мышцы, как впрочем и остальные органы, используют гликоген только для собственных нужд.

· Мобилизация (распад) гликогена или гликогенолиз активируется при недостатке свободной глюкозы в клетке, а значит и в крови (голодание, мышечная работа). При этом уровень глюкозы крови "целенаправленно" поддерживает только печень, в которой имеется глюкозо-6-фосфатаза, гидролизующая фосфатный эфир глюкозы. Образуемая в гепатоците свободная глюкоза выходит через плазматическую мембрану в кровь.

· В гликогенолизе непосредственно участвуют три фермента:

· 1. Фосфорилаза гликогена (кофермент пиридоксальфосфат) – расщепляет α-1,4-гликозидные связи с образованием глюкозо-1-фосфата. Фермент работает до тех пор, пока до точки ветвления (α1,6-связи) не останется 4 остатка глюкозы.

·

· Роль фосфорилазы при мобилизации гликогена

· 2. α(1,4)-α(1,4)-Глюкантрансфераза – фермент, переносящий фрагмент из трех остатков глюкозы на другую цепь с образованием новой α1,4-гликозидной связи. При этом на прежнем месте остается один остаток глюкозы и "открытая" доступная α1,6-гликозидная связь.

· 3. Амило-α1,6-глюкозидаза, (" деветвящий " фермент) – гидролизует α1,6-гликозидную связь с высвобождением свободной (нефосфорилированной) глюкозы. В результате образуется цепь без ветвлений, вновь служащая субстратом для фосфорилазы.

·

· Роль ферментов в расщеплении гликогена

· Синтез гликогена

· Гликоген способен синтезироваться почти во всех тканях, но наибольшие запасы гликогена находятся в печени и скелетных мышцах. Накопление гликогена в мышцах отмечается в период восстановления после нагрузки, особенно при приеме богатой углеводами пищи. В печени синтез гликогена происходит только после еды, при гипергликемии. Это объясняется особенностями печеночной гексокиназы (глюкокиназы), которая имеет низкое сродство к глюкозе и может работать только при ее высоких концентрациях, при нормальных концентрациях глюкозы в крови ее захват печенью не производится.

· Непосредственно синтез гликогена осуществляют следующие ферменты:

· 1. Фосфоглюкомутаза – превращает глюкозо-6-фосфат в глюкозо-1-фосфат;

· 2. Глюкозо-1-фосфат-уридилтрансфераза – фермент, осуществляющий ключевую реакцию синтеза. Необратимость этой реакции обеспечивается гидролизом образующегося дифосфата;

·

· Реакции синтеза УДФ-глюкозы

· 3. Гликогенсинтаза – образует α1,4-гликозидные связи и удлиняет гликогеновую цепочку, присоединяя активированный С¹ УДФ-глюкозы к С⁴ концевого остатка гликогена;

·

· Химизм реакции гликогенсинтазы

· 4. Амило-α1,4-α1,6-гликозилтрансфераза,"гликоген-ветвящий" фермент – переносит фрагмент с минимальной длиной в 6 остатков глюкозы на соседнюю цепь с образованием α1,6-гликозидной связи.

·

· Роль гликогенсинтазы и гликозилтрансферазы в синтезе гликогена

· 0

 

Синтез и распад гликогена реципрокны

Метаболизм гликогена в печени, мышцах и других клетках регулируется несколькими гормонами, одни из которых активируют синтез гликогена, а другие – распад гликогена. При этом в одной клетке не могут идти одновременно синтез и распад гликогена – это противоположные процессы с совершенно с разными задачами. Синтез и распад исключают друг друга или, по-другому, они реципрокны.

Активность ключевых ферментов метаболизма гликогена гликогенфосфорилазы и гликогенсинтазы изменяется в зависимости наличия в составе фермента фосфорной кислоты – они активны либо в фосфорилированной, либо в дефосфорилированной форме.

Присоединение фосфатов к ферменту производят протеинкиназы, источником фосфата является АТФ:

· фосфорилаза гликогена активируется после присоединения фосфатной группы,

· синтаза гликогена после присоединения фосфата инактивируется.

Скорость фосфорилирования указанных ферментов повышается после воздействия на клетку адреналина, глюкагона и некоторых других гормонов. В результате адреналин и глюкагон вызывают гликогенолиз, активируя фосфорилазу гликогена.

Например,

· во время мышечной работы адреналин вызывает фосфорилирование внутримышечных ферментов обмена гликогена. В результате фосфорилаза гликогена активируется, синтаза инактивируется. В мышце происходит распад гликогена, образуется глюкоза для обеспечения энергией мышечного сокращения.

· при голодании в ответ на снижение глюкозы крови из поджелудочной железы секретируется глюкагон. Он воздействует на гепатоциты и вызывает фосфорилирование ферментов обмена гликогена, что приводит к гликогенолизу и повышению глюкозы в крови.

Изменение активности ферментов обмена гликогена в зависимости от условий