W tłumaczeniu z niemieckiego skrobia oznacza „mocną mąkę”. Będąc złożoną skrobią, składa się z dwóch polimerów: amylozy (25%) i amylopektyny (75%). Zewnętrznie skrobia jest bezsmakowa i bezwonna, praktycznie nierozpuszczalna w zimna woda, ale pęcznieje w gorącej wodzie, jednocześnie nabierając właściwości pasty. Po ściśnięciu palcami biały puder emituje charakterystyczne skrzypienie. Oglądany pod mikroskopem, ziarnisty
Najpierw podczas rozkładu skrobi powstaje polisacharydowa dekstryna – produkt częściowego rozkładu skrobi. Dekstryny można otrzymać przez szybkie ogrzewanie skrobi zawierającej 10-20% wody.
Taki produkt rozkładu skrobi jak dekstryna znalazł szerokie zastosowanie w gospodarce narodowej. Dekstryny wykorzystywane są do produkcji klejów wykorzystywanych w różnych gałęziach przemysłu, np. do etykietowania pojemników czy klejenia worków opakowaniowych. W przemyśle odlewniczym dekstryna stosowana jest do wiązania piasku formierskiego, aw przemyśle lekkim do zwiększenia gęstości farb tekstylnych. Dekstryna znalazła zastosowanie w przemyśle spożywczym jako główny nośnik proszków spożywczych i barwników.
Maltoza, która składa się z dwóch cząsteczek glukozy, ma inną nazwę - cukier słodowy, który jest używany w destylacji i browarnictwie. W naturze występuje w dużych ilościach w kiełkujących ziarnach zbóż, szczególnie dużo maltozy w jęczmieniu i żyto. Czysta maltoza jest produkowana wyłącznie do celów laboratoryjnych w niewielkich ilościach.
Skrobia to złożony węglowodan znajdujący się w łodygach i liściach większości roślin i jest wytwarzany przez rośliny w rezerwie. Jako żywność ludzie od dawna używali zbóż bogatych w skrobię, takich jak ryż, pszenica, żyto i inne. Bogata w skrobię i uwielbiana przez wszystkie ziemniaki, jest najbardziej popularna i rozpowszechniona. Substancja ta jest jednym z najważniejszych produktów dla organizmu człowieka. Rozkład skrobi następuje pod wpływem enzymów, natomiast rozkład substancji zaczyna się nawet w jamie ustnej człowieka. Ludzka ślina, zawierająca enzym A-amylazę, częściowo przekształca skrobię w maltozę.
W środowisku żołądka rozkład skrobi nie następuje z powodu braku aktywności enzymu A-amylazy w kwaśnym środowisku żołądka. Dlatego wstępne dokładne przeżuwanie pokarmu ma bardzo ważne do dalszego rozkładu i przyswajania skrobi przez organizm człowieka. W dwunastnicy pod wpływem A-amylazy zawartej w soku żołądkowym podczas rozpadu skrobi powstaje dwucukier maltozowy. Ponadto maltoza szybko rozkłada się na dwie cząsteczki glukozy, które dzięki insulinie wydzielanej przez trzustkę wchłaniane są przez organizm ludzki, bez których wchłanianie glukozy przez organizm ludzki jest niemożliwe. Gdy skrobia jest rozłożona, tworzy się glukoza, a proces jej wychwytu zachodzi stopniowo, co prowadzi do znacznego zmniejszenia obciążenia układu trzustkowego, dlatego spożycie wystarczającej ilości skrobi roślinnej w pożywieniu może służyć jako zapobieganie cukrzycy.
Tak więc końcowym produktem rozpadu skrobi jest glukoza, najlepiej znany prosty węglowodan potrzebny do odżywienia tkanki mózgowej i różnych mięśni ludzkich.
Skrobia ma szerokie zastosowanie w przemyśle spożywczym, jest jednym z wielofunkcyjnych produktów pomocniczych. Stosowany jest głównie w zagęszczaczach i stabilizatorach, aby nadać produktom odpowiedni wygląd i teksturę.
W jelicie wchłaniane są tylko cukry proste: glukoza, galaktoza, fruktoza. Dlatego oligo- i polisacharydy, które dostają się do organizmu wraz z pożywieniem, muszą być hydrolizowane przez układy enzymatyczne do postaci monosacharydów. Na ryc. 5.11 schematycznie przedstawia lokalizację układów enzymatycznych biorących udział w trawieniu węglowodanów, które rozpoczyna się w jamie ustnej pod wpływem działania -amylazy doustnej, a następnie kontynuuje w różnych częściach jelita za pomocą -amylazy trzustkowej, sacharazy-izomaltazy , glikoamylaza, -glikozydaza (laktaza), kompleksy trehalazy.
Ryż. 5.11. Schemat lokalizacji enzymatycznych układów trawienia węglowodanów
5.2.1. Trawienie węglowodanów przez usta i trzustkę -amylaza ( -1,4-glikozydaza). Polisacharydy dietetyczne, czyli skrobia (składa się z liniowego polisacharydu amylozy, w którym reszty glukozylowe są połączone wiązaniami -1,4-glikozydowymi oraz amylopektyny, polisacharydu rozgałęzionego, w którym występują również wiązania -1,6-glikozydowe) , zaczynają hydrolizować już w jamie ustnej po zwilżeniu śliną zawierającą enzym hydrolityczny -amylazę (-1,4-glikozydazę) (EC 3.2.1.1), który rozrywa wiązania 1,4-glikozydowe w skrobi, ale nie działa na wiązaniach 1,6-glikozydowych.
Ponadto czas kontaktu enzymu ze skrobią w jamie ustnej jest krótki, przez co skrobia jest częściowo trawiona, tworząc duże fragmenty – dekstryny i trochę disacharydu maltozy. Disacharydy nie są hydrolizowane przez amylazę ślinową.
Wchodząc do żołądka w środowisku kwaśnym, amylaza ślinowa zostaje zahamowana, proces trawienia może zachodzić tylko w śpiączce pokarmowej, gdzie aktywność amylazy może utrzymywać się przez pewien czas, aż pH w całym kawałku stanie się kwaśne. W soku żołądkowym nie ma enzymów rozkładających węglowodany, możliwa jest jedynie niewielka hydroliza kwasowa wiązań glikozydowych.
Głównym miejscem hydrolizy oligo- i polisacharydów jest jelito cienkie, z którego w różnych częściach wydzielane są określone glikozydazy.
W dwunastnicy zawartość żołądka jest neutralizowana przez wydzielinę trzustkową zawierającą wodorowęglany HCO 3 - o pH 7,5-8,0. W tajemnicy trzustki znajduje się amylaza trzustkowa, która hydrolizuje wiązania -1,4-glikozydowe w skrobi i dekstrynach z utworzeniem disacharydów maltozy (w tym węglowodanie dwie reszty glukozy są połączone wiązaniami -1,4-glikozydowymi). wiązania) i izomaltoza (w tym węglowodanie dwie reszty glukozy zlokalizowane w miejscach rozgałęzień w cząsteczce skrobi i połączone wiązaniami α-1,6-glikozydowymi). Tworzą się także oligosacharydy zawierające 8–10 reszt glukozy połączonych wiązaniami -1,4-glikozydowymi i -1,6-glikozydowymi.
Obie amylazy są endoglikozydazami. Amylaza trzustkowa nie hydrolizuje również wiązań -1,6-glikozydowych w skrobi i wiązań -1,4-glikozydowych, którymi reszty glukozy są połączone w cząsteczce celulozy.
Celuloza przechodzi przez jelita w niezmienionej postaci i służy jako substancja balastowa, dodająca objętości pokarmu i ułatwiająca proces trawienia. W jelicie grubym pod wpływem mikroflory bakteryjnej celuloza może ulegać częściowej hydrolizie z wytworzeniem alkoholi, kwasów organicznych i CO 2 , które mogą działać jako stymulanty motoryki jelit.
Cukry maltoza, izomaltoza i trioza powstające w jelicie górnym są dalej hydrolizowane w jelicie cienkim przez specyficzne glikozydazy. Disacharydy dietetyczne, sacharoza i laktoza, są również hydrolizowane przez specyficzne disacharydazy w jelicie cienkim.
W świetle jelita aktywność oligo- i disacharydaz jest niska, ale większość enzymów jest związana z powierzchnią komórek nabłonkowych, które w jelicie znajdują się na wyrostkach palcowych - kosmkach i z kolei pokryte są mikrokosmkami, wszystkie te komórki tworzą rąbek szczoteczkowy, który zwiększa powierzchnię kontaktu enzymów hydrolitycznych z ich substratami.
Rozszczepiając wiązania glikozydowe w disacharydach, enzymy (disacharydazy) grupują się w kompleksy enzymatyczne zlokalizowane na zewnętrznej powierzchni błony cytoplazmatycznej enterocytów: sacharaza-izomaltaza, glikoamylaza, -glikozydaza.
5.2.2. Kompleks sacharaza-izomaltaza. Kompleks ten składa się z dwóch łańcuchów polipeptydowych i jest przyłączony do powierzchni enterocytu za pomocą transbłonowej domeny hydrofobowej zlokalizowanej w N-końcowej części polipeptydu. Kompleks sacharaza-izomaltaza (EC 3.2.1.48 i 3.2.1.10) rozszczepia wiązania -1,2- i -1,6-glikozydowe w sacharozie i izomaltozie.
Oba enzymy kompleksu są również zdolne do hydrolizowania wiązań α-1,4-glikozydowych w maltozie i maltotriozie (trisacharyd zawierający trzy reszty glukozy i powstający podczas hydrolizy skrobi).
Chociaż kompleks wykazuje dość wysoką aktywność maltazy, hydrolizując 80% maltozy powstałej podczas trawienia oligo- i polisacharydów, to jego główną specyficznością jest nadal hydroliza sacharozy i izomaltozy, przy czym szybkość hydrolizy wiązań glikozydowych jest większa niż szybkość hydrolizy wiązań w maltozie i maltotriozie. Podjednostka sacharozy jest jedynym enzymem jelitowym, który hydrolizuje sacharozę. Kompleks zlokalizowany jest głównie w jelicie czczym, w proksymalnej i dystalnej części jelita zawartość kompleksu sacharaza-izomaltaza jest niewielka.
5.2.3. kompleks glikoamylazy. Ten kompleks (EC 3.2.1.3 i 3.2.1.20) hydrolizuje wiązania -1,4-glikozydowe między resztami glukozy w oligosacharydach. Sekwencja aminokwasowa kompleksu glikoamylazy wykazuje 60% homologię z sekwencją kompleksu sacharaza-izomaltaza. Oba kompleksy należą do rodziny 31 hydrolaz glikozylowych. Będąc egzoglikozydazą, enzym działa od strony redukującej, może również rozszczepiać maltozę, działając w tej reakcji jako maltaza (w tym przypadku kompleks glikoamylazy hydrolizuje pozostałe 20% oligo- i polisacharydów maltozy powstałych podczas trawienia) . Kompleks zawiera dwie podjednostki katalityczne z niewielkimi różnicami w specyficzności substratowej. Kompleks jest najbardziej aktywny w dolnych partiach jelita cienkiego.
5.2.4. -Kompleks glikozydazy (laktaza). Ten kompleks enzymatyczny hydrolizuje wiązania -1,4-glikozydowe między galaktozą i glukozą w laktozie.
Glikoproteina jest związana z rąbkiem szczoteczkowym i jest nierównomiernie rozmieszczona w jelicie cienkim. Wraz z wiekiem aktywność laktazy spada: jest maksymalna u niemowląt, u dorosłych jest mniejsza niż 10% poziomu aktywności enzymu izolowanego u dzieci.
5.2.5. Tregalase. Enzym ten (EC 3.2.1.28) jest kompleksem glikozydazy, który hydrolizuje wiązania między monomerami w trehalozie, disacharydzie występującym w grzybach i składającym się z dwóch reszt glukozylowych połączonych wiązaniem glikozydowym między pierwszymi atomami węgla.
W wyniku działania hydrolaz glikozylowych z węglowodanów spożywczych w wyniku działania hydrolaz glikozylowych powstają monosacharydy: w dużej ilości glukoza, fruktoza, galaktoza, a w mniejszym stopniu - mannoza, ksyloza, arabinoza, które są wchłaniane przez komórki nabłonkowe jelita czczego i krętego oraz transportowane przez błony tych komórek za pomocą specjalnych mechanizmów.
5.2.6. Transport cukrów prostych przez błony komórek nabłonka jelit. Przeniesienie cukrów prostych do komórek błony śluzowej jelit może odbywać się poprzez ułatwioną dyfuzję i aktywny transport. W przypadku transportu aktywnego glukoza jest transportowana przez błonę wraz z jonem Na+ przez jedno białko nośnikowe, a substancje te oddziałują z różnymi częściami tego białka (ryc. 5.12). Jon Na + wchodzi do komórki wzdłuż gradientu stężenia, a glukoza przeciwnie do gradientu stężenia (wtórny transport aktywny), dlatego im większy gradient, tym więcej glukozy zostanie przeniesione do enterocytów. Wraz ze spadkiem stężenia Na + w płynie pozakomórkowym zmniejsza się podaż glukozy. Gradient stężenia Na+ leżący u podstaw aktywnego symportu jest zapewniony przez działanie Na+,K+-ATPazy, która działa jak pompa wypompowująca Na+ z komórki w zamian za jon K+. W ten sam sposób galaktoza wnika do enterocytów w mechanizmie wtórnego transportu aktywnego.
Ryż. 5.12. Wejście monosacharydów do enterocytów. SGLT1 – zależny od sodu transporter glukozy/galaktozy w błonie komórek nabłonka; Na + , K + -ATPaza na błonie podstawno-bocznej tworzy gradient stężenia jonów sodu i potasu niezbędnych do funkcjonowania SGLT1. GLUT5 transportuje głównie fruktozę przez błonę do komórki. GLUT2 na błonie podstawno-bocznej transportuje glukozę, galaktozę i fruktozę z komórki (zgodnie z )
Dzięki aktywnemu transportowi enterocyty mogą wchłaniać glukozę w jej niskim stężeniu w świetle jelita. Przy wysokim stężeniu glukozy wnika do komórek poprzez ułatwioną dyfuzję za pomocą specjalnych białek nośnikowych (transporterów). W ten sam sposób fruktoza jest przenoszona do komórek nabłonka.
Monosacharydy dostają się do naczyń krwionośnych z enterocytów głównie poprzez ułatwioną dyfuzję. Połowa glukozy przez naczynia włosowate kosmków przez żyłę wrotną jest transportowana do wątroby, połowa jest dostarczana przez krew do komórek innych tkanek.
5.2.7. Transport glukozy z krwi do komórek. Wnikanie glukozy z krwi do komórek odbywa się poprzez ułatwioną dyfuzję, tj. szybkość transportu glukozy jest określona przez gradient jej stężeń po obu stronach błony. W komórkach mięśniowych i tkance tłuszczowej ułatwiona dyfuzja jest regulowana przez insulinę, hormon trzustkowy. W przypadku braku insuliny błona komórkowa nie zawiera transporterów glukozy. Transporter glukozy (transporter) z erytrocytów (GLUT1), jak widać na ryc. 5.13 jest białkiem transbłonowym składającym się z 492 reszt aminokwasowych i mającym strukturę domeny. Reszty aminokwasów polarnych znajdują się po obu stronach błony, hydrofobowe zlokalizowane są w błonie, przecinając ją kilkakrotnie. Na zewnętrznej stronie membrany znajduje się miejsce wiązania glukozy. Gdy glukoza jest związana, konformacja nośnika zmienia się, a miejsce wiązania monosacharydu zostaje otwarte wewnątrz komórki. Glukoza przenika do komórki, oddzielając się od białka nośnikowego.
5.2.7.1. Transportery glukozy: GLUT 1, 2, 3, 4, 5. Transportery glukozy zostały znalezione we wszystkich tkankach, których jest kilka odmian, ponumerowanych w kolejności ich odkrycia. Opisano pięć typów GLUT, które mają podobną podstawową strukturę i organizację domeny.
GLUT 1 zlokalizowany w mózgu, łożysku, nerkach, jelicie grubym, erytrocytach dostarcza glukozę do mózgu.
GLUT 2 transportuje glukozę z narządów, które ją wydzielają do krwi: enterocytów, wątroby, transportuje ją do komórek β wysp Langerhansa trzustki.
GLUT 3 znajduje się w wielu tkankach, w tym w mózgu, łożysku, nerkach i zapewnia napływ glukozy do komórek tkanki nerwowej.
GLUT 4 transportuje glukozę do komórek mięśniowych (szkieletowych i sercowych) oraz tkanki tłuszczowej i jest zależny od insuliny.
GLUT 5 znajduje się w komórkach jelita cienkiego i może również tolerować fruktozę.
Wszyscy nosiciele mogą znajdować się zarówno w cytoplazmie
Ryż. 5.13. Struktura białka nośnikowego (transportera) glukozy z erytrocytów (GLUT1) (wg)
pęcherzyki w komórkach i błonie komórkowej. W przypadku braku insuliny GLUT 4 znajduje się tylko wewnątrz komórki. Pod wpływem insuliny pęcherzyki transportowane są do błony plazmatycznej, łączą się z nią, a GLUT 4 wbudowuje się w błonę, po czym transporter ułatwia dyfuzję glukozy do komórki. Po obniżeniu stężenia insuliny we krwi transportery ponownie wracają do cytoplazmy i transport glukozy do komórki ustaje.
W pracy transporterów glukozy zidentyfikowano różne zaburzenia. Wraz z dziedzicznym defektem białek nośnikowych rozwija się cukrzyca insulinoniezależna. Oprócz defektów białkowych istnieją inne zaburzenia spowodowane: 1) defektem w przekazywaniu sygnału insuliny o ruchu transportera do błony, 2) defektem ruchu transportera, 3) defektem włączenie białka do błony, 4) naruszenie sznurowania z błony.
5.2.8. Insulina. Związek ten jest hormonem wydzielanym przez komórki β wysp Langerhansa trzustki. Insulina to polipeptyd składający się z dwóch łańcuchów polipeptydowych: jeden zawiera 21 reszt aminokwasowych (łańcuch A), drugi zawiera 30 reszt aminokwasowych (łańcuch B). Łańcuchy są połączone dwoma wiązaniami dwusiarczkowymi: A7-B7, A20-B19. Wewnątrz łańcucha A znajduje się wewnątrzcząsteczkowe wiązanie dwusiarczkowe między szóstą a jedenastą resztą. Hormon może występować w dwóch konformacjach: T i R (ryc. 5.14).
Ryż. 5.14. Struktura przestrzenna monomerycznej formy insuliny: a insulina wieprzowa, konformacja T, b insulina ludzka, konformacja R (pokazano łańcuch A) czerwony kolor, łańcuch B żółty) (według )
Hormon może występować jako monomer, dimer i heksamer. W postaci heksamerycznej insulina jest stabilizowana przez jon cynku, który koordynuje łańcuch His10 B wszystkich sześciu podjednostek (ryc. 5.15).
Insuliny ssacze mają dużą homologię w budowie pierwotnej z insuliną ludzką: np. w insulinie świńskiej jest tylko jedna substytucja - zamiast treoniny na końcu karboksylowym łańcucha B jest alanina, w insulinie bydlęcej są trzy inne aminokwasy pozostałości w porównaniu z insuliną ludzką. Najczęściej substytucje występują w pozycjach 8, 9 i 10 łańcucha A, ale nie wpływają one znacząco na aktywność biologiczną hormonu.
Substytucje reszt aminokwasowych w pozycjach wiązań disiarczkowych, reszt hydrofobowych w regionach C- i N-końcowych łańcucha A oraz w regionach C-końcowych łańcucha B są bardzo rzadkie, co wskazuje na znaczenie tych regiony w przejawach biologicznej aktywności insuliny. Reszty Phe24 i Phe25 łańcucha B oraz reszty C- i N-końcowe łańcucha A biorą udział w tworzeniu aktywnego centrum hormonu.
Ryż. 5.15. Struktura przestrzenna heksameru insuliny (R 6) (wg )
5.2.8.1. biosynteza insuliny. Insulina jest syntetyzowana jako prekursor, preproinsulina, zawierająca 110 reszt aminokwasowych, na polirybosomach w szorstkiej retikulum endoplazmatycznym. Biosynteza rozpoczyna się od utworzenia peptydu sygnałowego, który wchodzi do światła retikulum endoplazmatycznego i kieruje ruchem rosnącego polipeptydu. Pod koniec syntezy peptyd sygnałowy o długości 24 reszt aminokwasowych jest odcinany od preproinsuliny do proinsuliny zawierającej 86 reszt aminokwasowych i przenoszony do aparatu Golgiego, gdzie w zbiornikach zachodzi dalsze dojrzewanie insuliny. Strukturę przestrzenną proinsuliny przedstawiono na ryc. 5.16.
W procesie długotrwałego dojrzewania pod wpływem endopeptydaz serynowych PC2 i PC1/3 najpierw rozszczepia się wiązanie peptydowe pomiędzy Arg64 i Lys65, a następnie hydrolizuje się wiązanie peptydowe utworzone przez Arg31 i Arg32, przy czym peptyd C składa się z rozszczepionych 31 reszt aminokwasowych. Konwersja proinsuliny do insuliny zawierającej 51 reszt aminokwasowych kończy się hydrolizą reszt argininy na końcu N łańcucha A i na końcu C łańcucha B pod wpływem działania karboksypeptydazy E, która wykazuje specyficzność zbliżoną do karboksypeptydaza B, czyli hydrolizuje wiązania peptydowe, grupę imino należącą do głównego aminokwasu (ryc. 5.17 i 5.18).
Ryż. 5.16. Proponowana struktura przestrzenna proinsuliny w konformacji sprzyjającej proteolizie. Czerwone kulki oznaczają reszty aminokwasowe (Arg64 i Lys65; Arg31 i Arg32), pomiędzy którymi wiązania peptydowe ulegają hydrolizie w wyniku obróbki proinsuliny (wg )
Insulina i peptyd C w równomolowych ilościach przedostają się do ziarnistości wydzielniczych, gdzie insulina, oddziałując z jonem cynku, tworzy dimery i heksamery. Ziarna sekrecyjne, łączące się z błoną komórkową, wydzielają insulinę i peptyd C do płynu zewnątrzkomórkowego w wyniku egzocytozy. Okres półtrwania insuliny w osoczu krwi wynosi 3–10 min, a peptydu C około 30 min. Insulina ulega rozkładowi pod wpływem enzymu insulinazy, proces ten zachodzi w wątrobie i nerkach.
5.2.8.2. Regulacja syntezy i wydzielania insuliny. Głównym regulatorem wydzielania insuliny jest glukoza, która reguluje ekspresję genu insuliny oraz genów białkowych biorących udział w metabolizmie głównych nośników energii. Glukoza może bezpośrednio wiązać się z czynnikami transkrypcyjnymi, co ma bezpośredni wpływ na szybkość ekspresji genów. Możliwy jest wtórny wpływ na sekrecję insuliny i glukagonu, gdy uwolnienie insuliny z ziarnistości wydzielniczych aktywuje transkrypcję mRNA insuliny. Ale wydzielanie insuliny zależy od stężenia jonów Ca 2+ i zmniejsza się wraz z ich niedoborem nawet przy wysokim stężeniu glukozy, co aktywuje syntezę insuliny. Ponadto jest hamowany przez adrenalinę, gdy wiąże się z receptorami 2. Stymulatorami wydzielania insuliny są hormony wzrostu, kortyzol, estrogeny, hormony przewodu pokarmowego (sekretyna, cholecystokinina, żołądkowy peptyd hamujący).
Ryż. 5.17. Synteza i przetwarzanie preproinsuliny (wg )
Wydzielanie insuliny przez komórki β wysp Langerhansa w odpowiedzi na wzrost stężenia glukozy we krwi przebiega następująco:
Ryż. 5.18. Przetwarzanie proinsuliny w insulinę przez hydrolizę wiązania peptydowego między Arg64 i Lys65, katalizowane przez endopeptydazę serynową PC2 i rozszczepienie wiązania peptydowego między Arg31 i Arg32 przez endopeptydazę serynową PC1/3, konwersja kończy się rozszczepieniem reszt argininy na N -koniec łańcucha A i C-koniec łańcuchów B pod działaniem karboksypeptydazy E (odcięte reszty argininy pokazano w kółkach). W wyniku przetwarzania oprócz insuliny powstaje peptyd C (zgodnie z)
1) glukoza jest transportowana do komórek przez białko nośnikowe GLUT 2;
2) w komórce glukoza ulega glikolizie i jest dalej utleniana w cyklu oddechowym z wytworzeniem ATP; intensywność syntezy ATP zależy od poziomu glukozy we krwi;
3) pod działaniem ATP kanały jonów potasowych są zamknięte, a błona depolaryzowana;
4) depolaryzacja błony powoduje otwarcie zależnych od napięcia kanałów wapniowych i wnikanie wapnia do komórki;
5) wzrost poziomu wapnia w komórce aktywuje fosfolipazę C, która rozszczepia jeden z fosfolipidów błonowych - fosfatydyloinozyto-4,5-difosforan - na inozytol-1,4,5-trifosforan i diacyloglicerol;
6) trifosforan inozytolu, wiążący się z białkami receptorowymi retikulum endoplazmatycznego, powoduje gwałtowny wzrost stężenia związanego wapnia wewnątrzkomórkowego, co prowadzi do uwolnienia wstępnie zsyntetyzowanej insuliny przechowywanej w ziarnistościach wydzielniczych.
5.2.8.3. Mechanizm działania insuliny. Głównym działaniem insuliny na komórki mięśniowe i tłuszczowe jest zwiększenie transportu glukozy przez błonę komórkową. Stymulacja insuliną prowadzi do 20-40-krotnego zwiększenia szybkości wnikania glukozy do komórki. Stymulacja insuliną powoduje 5–10-krotny wzrost zawartości białek transportujących glukozę w błonach plazmatycznych przy jednoczesnym zmniejszeniu o 50–60% ich zawartości w puli wewnątrzkomórkowej. Wymagana ilość energii w postaci ATP jest potrzebna głównie do aktywacji receptora insuliny, a nie do fosforylacji białka transportowego. Stymulacja transportu glukozy zwiększa zużycie energii 20–30 razy, podczas gdy do przemieszczania transporterów glukozy potrzebna jest tylko niewielka ilość glukozy. Translokację transporterów glukozy do błony komórkowej obserwuje się już kilka minut po interakcji insuliny z receptorem, a dalsze stymulujące działanie insuliny jest niezbędne do przyspieszenia lub podtrzymania procesu cyklu białek transporterowych.
Insulina, podobnie jak inne hormony, działa na komórki poprzez odpowiednie białko receptorowe. Receptor insuliny jest złożonym integralnym białkiem błony komórkowej, składającym się z dwóch podjednostek (130 kDa) i dwóch podjednostek (95 kDa); te pierwsze znajdują się całkowicie poza komórką, na jej powierzchni, te drugie przenikają przez błonę komórkową.
Receptor insuliny jest tetramerem składającym się z dwóch zewnątrzkomórkowych podjednostek α oddziałujących z hormonem i połączonych mostkami dwusiarczkowymi między cysteinami 524 i trypletami Cys682, Cys683, Cys685 obu podjednostek α (patrz Ryc. 5.19, a) i dwie transbłonowe podjednostki wykazujące aktywność kinazy tyrozynowej połączone mostkiem dwusiarczkowym między Cys647 () i Cys872. Łańcuch polipeptydowy podjednostki α o masie cząsteczkowej 135 kDa zawiera 719 aminokwasów
Ryż. 5.19. Struktura dimeru receptora insuliny: a modułowa budowa receptora insuliny. Powyżej - podjednostki α połączone mostkami dwusiarczkowymi Cys524, Cys683-685 i składające się z sześciu domen: dwóch zawierających powtórzenia leucynowe L1 i L2, bogatego w cysteinę regionu CR i trzech domen fibronektyny typu III Fno , Fn 1 , ID (wprowadzenie domena) . Poniżej - podjednostki związane z podjednostką przez mostek dwusiarczkowy Cys647Cys872 i składające się z siedmiu domen: trzech domen fibronektyny ID, Fn 1 i Fn 2 ST; b przestrzenny układ receptora, jeden dimer jest kolorowy, drugi biały, A pętla aktywująca naprzeciwko miejsca wiązania hormonu, X (czerwony) C-końcowa część podjednostki , X (czarny) N -końcowa część podjednostki , żółte kulki 1,2,3 - wiązania dwusiarczkowe między resztami cysteiny w pozycjach 524, 683-685, 647-872 (wg )
reszt kwasowych i składa się z sześciu domen: dwóch domen L1 i L2 zawierających powtórzenia leucynowe, bogatego w cysteinę regionu CR, w którym znajduje się miejsce wiązania insuliny, oraz trzech domen fibronektyny typu III Fno , Fn 1 , Ins (domena wprowadzająca) (patrz Rys. 5.18). Podjednostka zawiera 620 reszt aminokwasowych, ma masę cząsteczkową 95 kDa i składa się z siedmiu domen: trzech domen fibronektynowych ID, Fn 1 i Fn 2, transbłonowej domeny TM, domeny JM sąsiadującej z błoną, TK domena kinazy tyrozynowej i C-końcowy CT. Na receptorze znaleziono dwa miejsca wiązania insuliny: jedno o wysokim powinowactwie, drugie o niskim powinowactwie. Aby przenieść sygnał hormonalny do komórki, insulina musi związać się z miejscem o wysokim powinowactwie. Centrum to powstaje, gdy insulina wiąże się z domen L1, L2 i CR jednej podjednostki i domen fibronektyny drugiej, podczas gdy układ podjednostek jest przeciwny do siebie, jak pokazano na ryc. 5.19, z.
W przypadku braku interakcji insuliny z centrum receptora o wysokim powinowactwie, podjednostki są odsunięte od podjednostek przez występ (cam), będący częścią domeny CR, co zapobiega kontaktowi pętli aktywującej (A -pętla) domeny kinazy tyrozynowej jednej podjednostki z miejscami fosforylacji na innej podjednostce (rysunek 5.20, b). Kiedy insulina wiąże się z centrum wysokiego powinowactwa receptora insuliny, konformacja receptora zmienia się, występ nie uniemożliwia już zbliżania się podjednostek α i β, pętle aktywujące domen TK oddziałują z miejscami fosforylacji tyrozyny na przeciwnych TK transfosforylacja podjednostek β zachodzi w siedmiu resztach tyrozyny: Y1158, Y1162, Y1163 pętli aktywującej (jest to domena regulatorowa kinazy), Y1328, Y1334 domeny ST, Y965, Y972 domeny JM (ryc. 5.20 , a), co prowadzi do wzrostu aktywności kinazy tyrozynowej receptora. W pozycji 1030 TK znajduje się reszta lizyny zawarta w aktywnym centrum katalitycznym - centrum wiązania ATP. Zastąpienie tej lizyny wieloma innymi aminokwasami przez ukierunkowaną mutagenezę znosi aktywność kinazy tyrozynowej receptora insuliny, ale nie zaburza wiązania insuliny. Jednak dodanie insuliny do takiego receptora nie ma wpływu na metabolizm i proliferację komórek. Natomiast fosforylacja niektórych reszt serynowo-treoninowych zmniejsza powinowactwo do insuliny i zmniejsza aktywność kinazy tyrozynowej.
Znanych jest kilka substratów receptora insuliny: IRS-1 (substrat receptora insuliny), IRS-2, białka z rodziny STAT (przetwornik sygnału i aktywator transkrypcji - przetworniki sygnału i aktywatory transkrypcji omówiono szczegółowo w Części 4 „Biochemiczne podstawy obrony reakcje").
IRS-1 jest białkiem cytoplazmatycznym, które wiąże się z fosforylowanymi tyrozynami receptora insuliny TK swoją domeną SH2 i jest fosforylowane przez kinazę tyrozynową receptora natychmiast po stymulacji insuliną. Stopień fosforylacji substratu zależy od wzrostu lub spadku odpowiedzi komórkowej na insulinę, amplitudy zmian w komórkach oraz wrażliwości na hormon. Uszkodzenie genu IRS-1 może być przyczyną cukrzycy insulinozależnej. Łańcuch peptydowy IRS-1 zawiera około 1200 reszt aminokwasowych, 20–22 potencjalnych centrów fosforylacji tyrozyny i około 40 centrów fosforylacji seryn-treonina.
Ryż. 5.20. Uproszczony schemat zmian strukturalnych, gdy insulina wiąże się z receptorem insuliny: a zmiana konformacji receptora w wyniku wiązania hormonu w centrum wysokiego powinowactwa prowadzi do przesunięcia występu, konwergencji podjednostek i transfosforylacji domen TK; b przy braku interakcji insuliny z miejscem wiązania o wysokim powinowactwie na receptorze insuliny, występ (cam) zapobiega zbliżaniu się podjednostek i oraz transfosforylacji domen TK. Pętla A - pętla aktywująca domeny TK, cyfry 1 i 2 w kółku - wiązania dwusiarczkowe między podjednostkami, TK - domena kinazy tyrozynowej, C - centrum katalityczne TK, zestaw 1 i zestaw 2 - sekwencje aminokwasowe podjednostek które tworzą miejsce o dużym powinowactwie insuliny do receptora (wg )
Fosforylacja IRS-1 na kilku resztach tyrozynowych daje mu zdolność wiązania się z białkami zawierającymi domeny SH2: fosfataza tyrozynowa syp, podjednostka p85 kinazy PHI-3 (kinaza fosfatydyloinozytolu-3), białko adaptorowe Grb2, białkowa fosfataza tyrozynowa SH- PTP2, fosfolipaza C, GAP (aktywator małych białek wiążących GTP). W wyniku interakcji IRS-1 z podobnymi białkami generowanych jest wiele dalszych sygnałów.
Ryż. 5.21. Translokacja białek transportujących glukozę GLUT 4 w komórkach mięśniowych i tłuszczowych z cytoplazmy do błony plazmatycznej pod wpływem insuliny. Oddziaływanie insuliny z receptorem prowadzi do fosforylacji substratu receptora insuliny (IRS) wiążącego kinazę PI-3 (PI3K), która katalizuje syntezę fosfolipidu 3,4,5-trifosforanu fosfatydyloinozytolu (PtdIns(3, 4,5)P3). Ten ostatni związek, wiążąc domeny plekstryny (PH), mobilizuje kinazy białkowe PDK1, PDK2 i PKV do błony komórkowej. PDK1 fosforyluje RKB w Thr308, aktywując go. Fosforylowany RKV wiąże się z pęcherzykami zawierającymi GLUT4, powodując ich translokację do błony komórkowej, co prowadzi do zwiększonego transportu glukozy do komórek mięśniowych i tłuszczowych (zgodnie z )
Stymulowana przez fosforylowany IRS-1, fosfolipaza C hydrolizuje błonę komórkową fosfolipid fosfatydyloinozyto-4,5-difosforan, tworząc dwa drugie przekaźniki: inozyto-3,4,5-trifosforan i diacyloglicerol. Inozytol-3,4,5-trifosforan działając na kanały jonowe retikulum endoplazmatycznego uwalnia z niego wapń. Diacyloglicerol działa na kalmodulinę i kinazę białkową C, która fosforyluje różne substraty, prowadząc do zmiany aktywności układów komórkowych.
Fosforylowany IRS-1 aktywuje również kinazę PHI-3, która katalizuje fosforylację 4-fosforanu fosfatydyloinozytolu i 4,5-difosforanu fosfatydyloinozytolu w pozycji 3, tworząc 3-fosforan fosfatydyloinozytolu, 3,4-difosforan fosfatydyloinozytolu, i odpowiednio fosfatydyloinozytol -3,4,5-trifosforan.
Kinaza PHI-3 jest heterodimerem zawierającym podjednostki regulatorowe (p85) i katalityczne (p110). Podjednostka regulatorowa ma dwie domeny SH2 i domenę SH3, więc kinaza PI-3 przyłącza się do IRS-1 z wysokim powinowactwem. Powstające w błonie pochodne fosfatydyloinozytolu, fosforylowane w pozycji 3, wiążą białka zawierające tzw. domenę plekstryny (PH) (domena wykazuje duże powinowactwo do 3-fosforanów fosfatydyloinozytolu): kinaza białkowa PDK1 (kinaza zależna od fosfatydyloinozytolu), białko kinaza B (PKV).
Kinaza białkowa B (PKB) składa się z trzech domen: N-końcowej plekstryny, centralnej katalitycznej i C-końcowej regulatorowej. Do aktywacji RKV wymagana jest domena plektryny. Wiążąc się za pomocą domeny plekstryny w pobliżu błony komórkowej, PKV zbliża się do kinazy białkowej PDK1, która poprzez
jego domena plekstryny jest również zlokalizowana w pobliżu błony komórkowej. PDK1 fosforyluje Thr308 domeny kinazy PKV, powodując aktywację PKV. Aktywowany PKV fosforyluje kinazę syntazy glikogenu 3 (w pozycji Ser9), powodując inaktywację enzymu, a tym samym proces syntezy glikogenu. Kinaza Phi-3-fosforanu-5 ulega również fosforylacji, która działa na pęcherzyki, w których białka nośnikowe GLUT 4 są przechowywane w cytoplazmie adipocytów, powodując ruch transporterów glukozy do błony komórkowej, wbudowywanie się w nią i transbłonowy transport glukozy w komórki mięśniowe i tłuszczowe (ryc. 5.21).
Insulina nie tylko wpływa na wnikanie glukozy do komórki za pomocą białek nośnikowych GLUT 4. Bierze udział w regulacji metabolizmu glukozy, tłuszczów, aminokwasów, jonów, w syntezie białek oraz wpływa na procesy replikacja i transkrypcja.
Wpływ na metabolizm glukozy w komórce odbywa się poprzez stymulację procesu glikolizy poprzez zwiększenie aktywności enzymów biorących udział w tym procesie: glukokinazy, fosfofruktokinazy, kinazy pirogronianowej, heksokinazy. Insulina poprzez kaskadę cyklazy adenylowej aktywuje fosfatazę, która defosforyluje syntazę glikogenu, co prowadzi do aktywacji syntezy glikogenu (ryc. 5.22) i zahamowania procesu jego rozkładu. Insulina hamując karboksykinazę fosfoenolopirogronianową hamuje proces glukoneogenezy.
Ryż. 5.22. Schemat syntezy glikogenu
W wątrobie i tkance tłuszczowej pod wpływem insuliny synteza tłuszczów jest stymulowana przez aktywację enzymów: karboksylazy acetylo-CoA, lipazy lipoproteinowej. W tym przypadku rozkład tłuszczów jest zahamowany, ponieważ fosfataza aktywowana insuliną, defosforylująca wrażliwą na hormony lipazę triacyloglicerolową, hamuje ten enzym i zmniejsza się stężenie krążących we krwi kwasów tłuszczowych.
W wątrobie, tkance tłuszczowej, mięśniach szkieletowych i sercu insulina wpływa na szybkość transkrypcji ponad stu genów.
5.2.9. Glukagon. W odpowiedzi na spadek stężenia glukozy we krwi komórki wysp Langerhansa trzustki wytwarzają „hormon głodu” - glukagon, który jest polipeptydem o masie cząsteczkowej 3485 Da, składającym się z 29 aminokwasów pozostałości.
Działanie glukagonu jest odwrotne do działania insuliny. Insulina sprzyja magazynowaniu energii poprzez stymulację glikogenezy, lipogenezy i syntezy białek, a glukagon poprzez stymulację glikogenolizy i lipolizy powoduje szybką mobilizację potencjalnych źródeł energii.
Ryż. 5.23. Struktura ludzkiego proglukagonu i specyficzne tkankowo przetwarzanie proglukagonu w peptydy pochodzące z proglukagonu: glukagon i MPGF (główny fragment proglukagonu) powstają z proglukagonu w trzustce; Glycentyna, oksyntomodulina, GLP-1 (peptyd pochodzący z proglukagonu), GLP-2, dwa peptydy pośrednie (peptyd interweniujący - IP), GRPP - glicentynowy polipeptyd trzustkowy (polipeptyd z trzustki - pochodna glicyny) (wg )
Hormon jest syntetyzowany przez komórki α wysp Langerhansa trzustki, a także w komórkach neuroendokrynnych jelita i ośrodkowego układu nerwowego w postaci nieaktywnego prekursora, proglukagonu ( waga molekularna 9000 Da), zawierający 180 reszt aminokwasowych i przetwarzany przez konwertazę 2 i tworzący kilka peptydów o różnej długości, w tym glukagon i dwa peptydy glukagonopodobne (peptyd glukagonopodobny GLP-1, GLP-2, glicetyna) (ryc. 5.23 ). 14 z 27 reszt aminokwasowych glukagonu jest identycznych jak w cząsteczce innego hormonu przewodu pokarmowego, sekretyny.
Aby związać glukagon z receptorami odpowiadających komórek, wymagana jest integralność jego sekwencji 1-27 od N-końca. Ważną rolę w przejawach działania hormonu odgrywa reszta histydynowa zlokalizowana na końcu N, aw wiązaniu z receptorami fragment 20-27.
W osoczu krwi glukagon nie wiąże się z żadnym białkiem transportowym, jego okres półtrwania wynosi 5 minut, w wątrobie jest niszczony przez proteinazy, natomiast rozpad rozpoczyna się od rozerwania wiązania między Ser2 i Gln3 oraz usunięcia dipeptydu od N-końca.
Wydzielanie glukagonu jest hamowane przez glukozę, ale stymulowane przez pokarmy białkowe. GLP-1 hamuje wydzielanie glukagonu i stymuluje wydzielanie insuliny.
Glukagon działa tylko na hepatocyty i komórki tłuszczowe, które mają dla niego receptory w błonie komórkowej. W hepatocytach, wiążąc się z receptorami na błonie komórkowej, glukagon aktywuje cyklazę adenylanową, która katalizuje tworzenie cAMP, za pomocą białka G, co z kolei prowadzi do aktywacji fosforylazy, co przyspiesza rozpad glikogenu oraz hamowanie syntazy glikogenu i hamowanie tworzenia glikogenu. Glukagon stymuluje glukoneogenezę poprzez indukcję syntezy enzymów biorących udział w tym procesie: glukozo-6-fosfatazy, karboksykinazy fosfoenolopirogronianowej, fruktozy-1,6-difosfatazy. Efektem netto glukagonu w wątrobie jest zwiększenie produkcji glukozy.
W komórkach tłuszczowych hormon również, wykorzystując kaskadę cyklazy adenylanowej, aktywuje wrażliwą na hormon lipazę triacyloglicerolową, stymulując lipolizę. Glukagon zwiększa wydzielanie katecholamin przez rdzeń nadnerczy. Uczestnicząc w realizacji reakcji typu „walcz lub uciekaj”, glukagon zwiększa dostępność substratów energetycznych (glukoza, wolne kwasy tłuszczowe) dla mięśni szkieletowych oraz zwiększa ukrwienie mięśni szkieletowych poprzez zwiększenie pracy serca.
Glukagon nie ma wpływu na glikogen mięśni szkieletowych ze względu na prawie całkowity brak w nich receptorów glukagonu. Hormon powoduje wzrost wydzielania insuliny z komórek beta trzustki i hamowanie aktywności insulinazy.
5.2.10. Regulacja metabolizmu glikogenu. Nagromadzenie glukozy w organizmie w postaci glikogenu i jej rozpad są zgodne z potrzebami energetycznymi organizmu. Kierunek procesów metabolizmu glikogenu regulują mechanizmy zależne od działania hormonów: w wątrobie insuliny, glukagonu i adrenaliny, w mięśniach insuliny i adrenaliny. Przełączenie procesów syntezy lub rozpadu glikogenu następuje podczas przejścia z okresu wchłaniania do okresu poabsorpcyjnego lub gdy stan spoczynku zmienia się na pracę fizyczną.
5.2.10.1. Regulacja aktywności fosforylazy glikogenu i syntazy glikogenu. Gdy zmienia się stężenie glukozy we krwi, dochodzi do syntezy i wydzielania insuliny i glukagonu. Hormony te regulują procesy syntezy i rozkładu glikogenu, wpływając na aktywność kluczowych enzymów tych procesów: syntazy glikogenu i fosforylazy glikogenu poprzez ich fosforylację-defosforylację.
Ryż. 5.24 Aktywacja fosforylazy glikogenowej przez fosforylację reszty Ser14 przez kinazę fosforylazy glikogenowej i inaktywację przez fosfatazę katalizującą defosforylację reszty seryny (zgodnie z )
Oba enzymy występują w dwóch formach: ufosforylowanej (aktywna fosforylaza glikogenowa) a i nieaktywna syntaza glikogenu) i defosforylowana (nieaktywna fosforylaza) b i aktywna syntaza glikogenu) (ryc. 5.24 i 5.25). Fosforylację prowadzi się przez kinazę katalizującą przeniesienie reszty fosforanowej z ATP do reszty seryny, a defosforylację katalizuje fosfataza fosfoproteinowa. Aktywności kinazy i fosfatazy są również regulowane przez fosforylację-defosforylację (patrz ryc. 5.25).
Ryż. 5.25. Regulacja aktywności syntazy glikogenu. Enzym jest aktywowany przez działanie fosfatazy fosfoproteinowej (PP1), która defosforyluje trzy reszty fosfoseryny w pobliżu C-końca syntazy glikogenu. Kinaza syntazy glikogenu 3 (GSK3), która katalizuje fosforylację trzech reszt serynowych w syntazie glikogenu, hamuje syntezę glikogenu i jest aktywowana przez fosforylację kinazy kazeinowej (CKII). Insulina, glukoza i glukozo-6-fosforan aktywują fosfatazę fosfoproteinową, natomiast glukagon i epinefryna (epinefryna) ją hamują. Insulina hamuje działanie kinazy syntazy glikogenu 3 (wg)
Zależna od cAMP kinaza białkowa A (PKA) fosforyluje kinazę fosforylazy, zamieniając ją w stan aktywny, który z kolei fosforyluje fosforylazę glikogenu. Synteza cAMP jest stymulowana przez adrenalinę i glukagon.
Insulina poprzez kaskadę obejmującą białko Ras (szlak sygnalizacyjny Ras) aktywuje kinazę białkową pp90S6, która fosforyluje iw ten sposób aktywuje fosfatazę fosfoproteinową. Aktywna fosfataza defosforyluje i dezaktywuje kinazę fosforylazy i fosforylazę glikogenu.
Fosforylacja przez PKA syntazy glikogenu prowadzi do jej inaktywacji, a defosforylacja przez fosfatazę fosfoproteinową aktywuje enzym.
5.2.10.2. Regulacja metabolizmu glikogenu w wątrobie. Zmiana stężenia glukozy we krwi zmienia również względne stężenia hormonów: insuliny i glukagonu. Stosunek stężenia insuliny do stężenia glukagonu we krwi nazywany jest „indeksem insulina-glukagon”. W okresie poabsorpcyjnym wskaźnik spada, a na regulację stężenia glukozy we krwi wpływa stężenie glukagonu.
Glukagon, jak wspomniano powyżej, aktywuje uwalnianie glukozy do krwi w wyniku rozpadu glikogenu (aktywacja fosforylazy glikogenu i hamowanie syntazy glikogenu) lub poprzez syntezę z innych substancji – glukoneogenezę. Z glikogenu powstaje glukozo-1-fosforan, który izomeryzuje do glukozo-6-fosforanu, który hydrolizuje w wyniku działania glukozo-6-fosfatazy, tworząc wolną glukozę, która może opuścić komórkę do krwi (ryc. 5.26).
Działanie adrenaliny na hepatocyty jest podobne do działania glukagonu w przypadku wykorzystania receptorów 2 i wynika z fosforylacji i aktywacji fosforylazy glikogenu. W przypadku interakcji adrenaliny z receptorami 1 błony komórkowej transbłonowe przekazywanie sygnału hormonalnego odbywa się za pomocą mechanizmu fosforanu inozytolu. W obu przypadkach aktywowany jest proces rozkładu glikogenu. Zastosowanie jednego lub drugiego rodzaju receptora zależy od stężenia adrenaliny we krwi.
Ryż. 5.26. Schemat fosforolizy glikogenu
Podczas trawienia wzrasta wskaźnik insulina-glukagon i dominuje wpływ insuliny. Insulina obniża stężenie glukozy we krwi, aktywuje poprzez fosforylację szlakiem Ras fosfodiesterazę cAMP, która hydrolizuje ten drugi przekaźnik z wytworzeniem AMP. Insulina aktywuje również poprzez szlak Ras fosfatazę fosfoproteinową ziarnistości glikogenu, która defosforyluje i aktywuje syntazę glikogenu oraz dezaktywuje kinazę fosforylazy i samą fosforylazę glikogenu. Insulina indukuje syntezę glukokinazy w celu przyspieszenia fosforylacji glukozy w komórce i jej włączenia do glikogenu. Tym samym insulina aktywuje proces syntezy glikogenu i hamuje jego rozkład.
5.2.10.3. Regulacja metabolizmu glikogenu w mięśniach. W przypadku wzmożonej pracy mięśni rozpad glikogenu jest przyspieszany przez adrenalinę, która wiąże się z receptorami 2 i poprzez układ cyklazy adenylanowej prowadzi do fosforylacji i aktywacji kinazy fosforylazy i fosforylazy glikogenu oraz hamowania syntazy glikogenu (ryc. 5.27 i 5.28). W wyniku dalszej konwersji powstałego z glikogenu glukozo-6-fosforanu dochodzi do syntezy ATP, który jest niezbędny do realizacji intensywnej pracy mięśni.
Ryż. 5.27. Regulacja aktywności fosforylazy glikogenowej w mięśniach (wg)
W spoczynku fosforylaza glikogenu mięśniowego jest nieaktywna, ponieważ znajduje się w stanie defosforylacji, ale rozkład glikogenu następuje z powodu allosterycznej aktywacji fosforylazy glikogenu b za pomocą AMP i ortofosforanu powstającego podczas hydrolizy ATP.
Ryż. 5.28. Regulacja aktywności syntazy glikogenu w mięśniach (wg)
Przy umiarkowanych skurczach mięśni kinaza fosforylazy może być aktywowana allosterycznie (przez jony Ca 2+). Stężenie Ca 2+ wzrasta wraz ze skurczem mięśni w odpowiedzi na sygnał nerwu ruchowego. Gdy sygnał jest osłabiony, spadek stężenia Ca 2+ jednocześnie „wyłącza” aktywność kinazy, a więc
Jony Ca 2+ biorą udział nie tylko w skurczu mięśni, ale także w dostarczaniu energii do tych skurczów.
Jony Ca 2+ wiążą się z białkiem kalmoduliny, w tym przypadku działając jako jedna z podjednostek kinazy. Kinaza fosforylazy mięśniowej ma budowę 4 4 4 4. Tylko podjednostka ma właściwości katalityczne, podjednostki i , będące regulatorami, są fosforylowane na resztach seryny przy użyciu PKA, podjednostka jest identyczna z białkiem kalmoduliny (omówione szczegółowo w sekcji 2.3.2, część 2 " Biochemia ruchu”), wiąże cztery jony Ca 2+, co prowadzi do zmian konformacyjnych, aktywacji katalitycznej podjednostki , chociaż kinaza pozostaje w stanie defosforylacji.
Podczas trawienia w spoczynku zachodzi również synteza glikogenu mięśniowego. Glukoza wnika do komórek mięśniowych za pomocą białek nośnikowych GLUT 4 (ich mobilizację do błony komórkowej pod wpływem insuliny szczegółowo omówiono w rozdziale 5.2.4.3 i na ryc. 5.21). Wpływ insuliny na syntezę glikogenu w mięśniach odbywa się również poprzez defosforylację syntazy glikogenu i fosforylazy glikogenu.
5.2.11. Nieenzymatyczna glikozylacja białek. Jednym z rodzajów potranslacyjnej modyfikacji białek jest glikozylacja reszt seryny, treoniny, asparaginy i hydroksylizyny przy użyciu glikozylotransferaz. Ponieważ podczas trawienia we krwi powstaje duże stężenie węglowodanów (cukrów redukujących), możliwa jest nieenzymatyczna glikozylacja białek, lipidów i kwasów nukleinowych, zwana glikacją. Produkty powstałe w wyniku wieloetapowej interakcji cukrów z białkami nazywane są produktami końcowymi zaawansowanej glikacji (AGE) i znajdują się w wielu ludzkich białkach. Okres półtrwania tych produktów jest dłuższy niż białek (od kilku miesięcy do kilku lat), a tempo ich powstawania zależy od poziomu i czasu ekspozycji na cukier redukujący. Przyjmuje się, że z ich powstawaniem związanych jest wiele powikłań wynikających z cukrzycy, choroby Alzheimera i zaćmy.
Proces glikacji można podzielić na dwie fazy: wczesną i późną. W pierwszym etapie glikacji następuje nukleofilowy atak grupy karbonylowej glukozy przez grupę -aminową lizyny lub grupę guanidyniową argininy, w wyniku czego powstaje nietrwała zasada Schiffa - N-glikozylimina (ryc. 5.29).Tworzenie zasady Schiffa jest procesem stosunkowo szybkim i odwracalnym.
Potem następuje przegrupowanie N-glikozylimina z wytworzeniem produktu Amadori - 1-amino-1-deoksyfruktozy. Szybkość tego procesu jest niższa niż szybkość tworzenia glikozyliminy, ale znacznie wyższa niż szybkość hydrolizy zasady Schiffa,
Ryż. 5.29. Schemat glikacji białek. Otwarta forma węglowodanu (glukozy) reaguje z grupą -aminową lizyny, tworząc zasadę Schiffa, która ulega przegrupowaniu Amadori do ketoaminy poprzez pośrednie tworzenie enolaminy. Przegrupowanie Amadoriego jest przyspieszone, jeśli reszty asparaginianu i argininy znajdują się w pobliżu reszty lizyny. Ketoamina może wtedy dawać różnorodne produkty (produkty końcowe glikacji - AGE). Schemat przedstawia reakcję z drugą cząsteczką węglowodanu, w wyniku której powstaje diketoamina (zgodnie z )
dlatego we krwi gromadzą się białka zawierające reszty 1-amino-1-deoksyfruktozy.Modyfikacje reszt lizyny w białkach we wczesnej fazie glikacji są najwyraźniej ułatwione przez obecność reszt histydyny, lizyny lub argininy w bezpośrednim sąsiedztwie reagująca grupa aminowa, która przeprowadza kwas – główną katalizę procesu, a także reszty asparaginianowe, odciągając proton od drugiego atomu węgla cukru. Ketoamina może wiązać inną resztę węglowodanową na grupie iminowej, tworząc podwójnie glikowaną lizynę, która zamienia się w diketoaminę (patrz Ryc. 5.29).
Późny etap glikacji, w tym dalsze przemiany N‑glikozylimina i produkt Amadori, wolniejszy proces prowadzący do powstania stabilnych produktów końcowych glikacji (AGE). W ostatnie czasy pojawiły się dane o bezpośrednim udziale w tworzeniu AGE związków α‑dikarbonylowych (glioksal, metyloglioksal, 3-deoksyglukozon), które powstają w żywy zarówno podczas degradacji glukozy, jak i w wyniku przekształceń zasady Schiffa podczas modyfikacji lizyny w składzie białek glukozą (ryc. 5.30). Specyficzne reduktazy i związki sulfhydrylowe (kwas liponowy, glutation) są zdolne do przekształcania reaktywnych związków dikarbonylowych w nieaktywne metabolity, co przekłada się na zmniejszenie powstawania produktów końcowych glikacji.
Reakcje związków α-dikarbonylowych z grupami ε-aminowymi reszt lizynowych lub grupami guanidynowymi reszt argininowych w białkach prowadzą do powstania wiązań poprzecznych białek, które są odpowiedzialne za powikłania spowodowane glikacją białek w cukrzycy i innych chorobach. Ponadto w wyniku sekwencyjnego odwadniania produktu Amadori na C4 i C5 powstają 1-amino-4-deoksy-2,3-dion i -enedion, które mogą również uczestniczyć w tworzeniu wewnątrzcząsteczkowych i międzycząsteczkowych wiązań białkowych .
Wśród AGE scharakteryzowanych N ε ‑karboksymetylolizyna (CML) i N ε -karboksyetylolizyna (CEL), addukty bis(lizylo)imidazolu (GOLD - glioksal-lizyl-lizyl-dimer, MOLD - metyloglioksal-lizyl-lizyl-dimer, DOLD - deoksyglukozon-lizyl-lizyl-dimer), imidazolony (MG-G-H, H i 3DG‑H), pirralina, argpirymidyna, pentozydyna, crosslin i vesperlisin. 5.31 pokazuje niektóre
Ryż. 5.30. Schemat glikacji białek w obecności D‑glukozy. Ramka przedstawia główne prekursory produktów AGE powstałe w wyniku glikacji (wg )
produkty końcowe glikacji. Na przykład pentozydyna i karboksymetylolizyna (CML), końcowe produkty glikacji powstałe w warunkach utleniania, znajdują się w długo żyjących białkach: kolagenie skóry i krystalinie soczewki. Karboksymetylolizyna wprowadza do białka ujemnie naładowaną grupę karboksylową zamiast dodatnio naładowanej grupy aminowej, co może prowadzić do zmiany ładunku na powierzchni białka, do zmiany struktury przestrzennej białka. CML to antygen rozpoznawany przez przeciwciała. Ilość tego produktu wzrasta liniowo wraz z wiekiem. Pentozydyna jest wiązaniem krzyżowym (produktem usieciowania) pomiędzy produktem Amadori a resztą argininy w dowolnej pozycji białka, jest utworzona z askorbinianu, glukozy, fruktozy, rybozy, znajdującej się w tkankach mózgu pacjentów z chorobą Alzheimera choroby, w skórze i osoczu krwi pacjentów z cukrzycą.
Produkty końcowe glikacji mogą promować utlenianie wolnych rodników, zmiany ładunku na powierzchni białka, nieodwracalne sieciowanie między różnymi regionami białka, co
zaburza ich strukturę przestrzenną i funkcjonowanie, czyni je odpornymi na proteolizę enzymatyczną. Z kolei utlenianie wolnorodnikowe może powodować nieenzymatyczną proteolizę lub fragmentację białek, peroksydację lipidów.
Powstawanie końcowych produktów glikacji na białkach błony podstawnej (kolagen typu IV, laminina, proteoglikan siarczanu heparanu) prowadzi do jego pogrubienia, zwężenia światła naczyń włosowatych i zaburzenia ich funkcji. Te naruszenia macierzy zewnątrzkomórkowej zmieniają strukturę i funkcję naczyń krwionośnych (spadek elastyczności ściany naczyń, zmiana w odpowiedzi na rozszerzające naczynia działanie tlenku azotu), przyczyniają się do szybszego rozwoju procesu miażdżycowego.
Produkty końcowe glikacji (AGE) wpływają również na ekspresję niektórych genów poprzez wiązanie się ze specyficznymi receptorami AGE zlokalizowanymi na fibroblastach, limfocytach T, w nerkach (komórki mezangialne), w ścianie naczyniowej (komórki śródbłonka i mięśni gładkich), w mózgu , a także w wątrobie i śledzionie, gdzie są one najliczniejsze, czyli w tkankach bogatych w makrofagi, które pośredniczą w przekazywaniu tego sygnału poprzez zwiększenie powstawania wolnych rodników tlenowych. Te z kolei aktywują transkrypcję jądrowego czynnika NF-kB, który reguluje ekspresję wielu genów reagujących na różne uszkodzenia.
Jednym ze skutecznych sposobów zapobiegania niepożądanym skutkom nieenzymatycznej glikozylacji białek jest zmniejszenie kaloryczności pożywienia, co przekłada się na zmniejszenie stężenia glukozy we krwi oraz zmniejszenie przyczepności nieenzymatycznej glukoza do długo żyjących białek, takich jak hemoglobina. Spadek stężenia glukozy prowadzi do zmniejszenia zarówno glikozylacji białek, jak i peroksydacji lipidów. Negatywny efekt glikozylacji wynika zarówno z naruszenia struktury i funkcji, gdy glukoza jest przyłączana do białek długo żyjących, jak i wynikających z tego uszkodzeń oksydacyjnych białek wywołanych przez wolne rodniki powstające podczas utleniania cukrów w obecności jonów metali przejściowych . Nukleotydy i DNA ulegają również nieenzymatycznej glikozylacji, która prowadzi do mutacji w wyniku bezpośredniego uszkodzenia DNA i inaktywacji układów naprawczych, powodując zwiększoną kruchość chromosomów. Obecnie badane są metody zapobiegania wpływowi glikacji na długożyjące białka przy użyciu interwencji farmakologicznych i genetycznych.
Ekologia konsumpcji. Organizm nie wie, jak tak po prostu przyswajać skrobię, do tego musi wystąpić ogromna ilość. reakcje chemiczne aby przekształcić najbardziej złożoną skrobię w cukry proste, tylko organizm zna je i może je wchłonąć.
Organizm po prostu nie wie, jak przyswajać skrobie, ponieważ w tym celu musi zajść ogromna liczba reakcji chemicznych, aby przekształcić najbardziej złożoną skrobię w cukry proste, tylko organizm wie i może je wchłonąć.
Przemiana skrobi w organizmie ma głównie na celu zaspokojenie zapotrzebowania na cukier. Co więcej, technologia przetwarzania skrobi na przyswajalne cukry proste jest nie tylko złożona, pracochłonna i znacznie rozciągnięta w czasie (od 2 do 4 godzin).
Wymaga kolosalnego wydatkowania energii i substancji biologicznie czynnych (witaminy B, B2, B3, PP, C itp.). Bez wystarczającej ilości witamin i mikroelementów (a kto z nas ma ich dość?) skrobia praktycznie nie jest wchłaniana: fermentuje, gnije, zatruwa, zatyka sieć naczyń włosowatych.
Skrobia jest praktycznie nierozpuszczalna w żadnym ze znanych rozpuszczalników. Ma tylko właściwość rozpuszczalności koloidalnej. Badanie roztworów koloidalnych skrobi wykazało, że jej roztwór nie składa się z pojedynczych cząsteczek skrobi, ale z cząstek pierwotnych - miceli, w tym dużej liczby cząsteczek.
Skrobia zawiera dwie frakcje polisacharydów:
- amylasa
- amylopektyna
drastycznie różne właściwości.
Amylazy w skrobi 15-25%.
Rozpuszcza się w gorącej wodzie (80°C), tworząc klarowny roztwór koloidalny.
Amylopektyna stanowi 75-85% ziarna skrobi.
Tak więc, gdy jest wystawiony na działanie skrobi gorąca woda powstaje roztwór amylazy, który jest silnie skondensowany ze spęcznioną amylopektyną.
Powstała gęsta lepka masa nazywana jest pastą. Ta sama pasta powstaje w przewodzie pokarmowym. A im drobniej zmielona jest mąka, z której wypieka się nasz chleb, makaron itp., tym lepiej ta pasta się klei!
Skleja się, zatyka mikrokosmki ssące dwunastnica i niżej położone odcinki jelita cienkiego, wyłączając je z trawienia, najpierw częściowo, a następnie prawie całkowicie.
Tu leży przyczyna słabego wchłaniania witamin i mikroelementów. Niewystarczająca absorpcja jodu (skrobia czyni ją prawie niestrawną) prowadzi do wielu chorób (nawet do raka), ale najbardziej specyficzną chorobą jest niedoczynność tarczycy, czyli niedostateczna czynność tarczycy. Powód jest wciąż ten sam - „zaleganie” skrobią (i innymi żużlami) tkanki łącznej, wzrost samej tarczycy.
W jelicie grubym ta odwodniona masa skrobi przykleja się do ścian jelita grubego, tworząc kamienie kałowe. Te długoterminowe złogi dosłownie wyłączają pracę (przede wszystkim dopływ krwi) tych narządów
który dostarcza składniki odżywcze do określonego miejsca wchłaniania w jelicie grubym.
Kamienie blokują wchłanianie, dzięki czemu składniki odżywcze nie dostają się do organizmu, najpierw słabnie, potem zanika i choruje. Zaburzona zostaje mikroflora jelita grubego, jego kwasowość, zdolność do wytwarzania niezbędnych aminokwasów.
PIECZONY ZIEMNIAK. Najbardziej podstępny sposób na uszkodzenie ciała.
Indeks glikemiczny pieczonego ziemniaka wynosi 95. To więcej niż cukier i miód razem wzięte. Oznacza to, że pieczony ziemniak niemal natychmiast podnosi zawartość cukru do maksimum. Nadmiar cukru uruchamia proces „odkładania się tłuszczu”. W ten sposób organizm reguluje ilość glukozy.
Doświadczając pełni nasycenia, ze względu na niską zawartość kalorii w ciągu godziny, a może nawet wcześniej, osoba ponownie odczuje uczucie głodu. Potem coraz więcej. Cykl jedzenia ziemniaków staje się nieskończony. W takim przypadku osoba zacznie dość przybierać na wadze.
Na tej podstawie fast food nigdy nie zrezygnuje z ziemniaków, ponieważ będzie to oznaczać spadek zysków.
Smażone ziemniaki i frytki. Najpoważniejszy cios w ciało.
Podczas smażenia z ziemniaków odparowuje wilgoć. Zastępuje go tłuszcz. Zawartość kalorii w ziemniakach zaczyna rosnąć i często przekracza 400 (węglowodany). Na tle szybkiej strawności oczywiście cały ten tłuszcz będzie pod skórą.
Bulwy leżące w świetle zmieniają kolor na zielony, gromadzą najsilniejszą truciznę - solaninę. Szczególnie dużo kiełkuje. W dużych dawkach solanina niszczy czerwone krwinki i działa depresyjnie na centralny układ nerwowy.
Spożycie solaniny w organizmie powoduje odwodnienie, gorączkę, drgawki.
W przypadku osłabionego organizmu wszystko to może zakończyć się śmiercią.
Żadna obróbka cieplna nie pomoże zneutralizować trucizny.
Według austriackich naukowców solanina ma niekorzystny wpływ, gdy jej zawartość wzrasta do 40 miligramów na 100 gramów ziemniaków. Jesienią 100 gramów świeżo wykopanych ziemniaków zawiera nie więcej niż 10 miligramów solaniny.
Wiosną może okazać się trzykrotnie więcej, a koncentruje się głównie w zielonych obszarach bulwy i bliżej skórki.
Ziemniaki można jeść tylko MŁODE, nie starsze niż 2 miesiące
Jak wymienić ziemniaki?????
ZIEMNIAKI ŁATWO ZASTĄPIĆ RZEPĄ i TOPINAMBUREM. opublikowany
Węglowodany pokarmowe w przewodzie pokarmowym rozpadają się na monomery pod wpływem glikozydaz – enzymów katalizujących hydrolizę wiązań glikozydowych.
Trawienie skrobi zaczyna się już w jamie ustnej: ślina zawiera enzym amylazę (α-1,4-glikozydazę), który rozszczepia wiązania α-1,4-glikozydowe. Ponieważ pokarm nie pozostaje długo w jamie ustnej, skrobia jest tu tylko częściowo trawiona. Głównym miejscem trawienia skrobi jest jelito cienkie, do którego z soku trzustkowego dostaje się amylaza. Amylaza nie hydrolizuje wiązania glikozydowego w disacharydach.
Maltoza, laktoza i sacharoza są hydrolizowane przez specyficzne glikozydazy – odpowiednio maltazę, laktazę i sachazę. Enzymy te są syntetyzowane w komórkach jelita. Produkty trawienia węglowodanów (glukozy, galaktozy, fruktozy) dostają się do krwiobiegu.
Rys.1 Trawienie węglowodanów
Utrzymanie stałego stężenia glukozy we krwi jest wynikiem jednoczesnego zachodzenia dwóch procesów: wejścia glukozy do krwi z wątroby oraz jej zużycia z krwi przez tkanki, gdzie jest wykorzystywana jako materiał energetyczny.
Rozważać synteza glikogenu.
glikogen – węglowodany złożone pochodzenia zwierzęcego, polimer, którego monomerem są reszty α-glukozy, które są połączone wiązaniami 1-4,1-6 glikozydowymi, ale mają bardziej rozgałęzioną strukturę niż skrobia (do 3000 reszt glukozy). Masa cząsteczkowa glikogenu jest bardzo duża - OH waha się od 1 do 15 milionów. Oczyszczony glikogen jest białym proszkiem. Jest dobrze rozpuszczalny w wodzie i może być wytrącany z roztworu alkoholem. Z "I" daje brązowy kolor. W wątrobie występuje w postaci granulek w połączeniu z białkami komórkowymi. Ilość glikogenu w wątrobie może osiągnąć 50-70 g - to jest rezerwa ogólna glikogen; stanowi od 2 do 8% masy wątroby. Glikogen znajduje się również w mięśniach, gdzie się tworzy lokalna rezerwa, w niewielkich ilościach znajduje się w innych narządach i tkankach, w tym w tkance tłuszczowej. Glikogen w wątrobie to mobilna rezerwa węglowodanów, post przez 24 godziny całkowicie ją wyczerpuje. Według White'a i współautorów mięsień szkieletowy zawiera około 2/3 całkowitego glikogenu ustrojowego (ze względu na dużą masę mięśni najwięcej glikogenu jest w nich) - aż 120 g (dla mężczyzny ważącego 70 kg) , ale w mięśniach szkieletowych jego zawartość wynosi od 0,5 do 1% masy. W przeciwieństwie do glikogenu wątrobowego, glikogen mięśniowy nie jest tak łatwo wyczerpywany podczas postu, nawet przez długi czas. Mechanizm syntezy glikogenu w wątrobie z glukozy został już wyjaśniony. W komórkach wątroby glukoza jest fosforylowana przy udziale enzymu heksokinaza z tworzeniem glukozy-6-P.
Rys.2 Schemat syntezy glikogenu
1. Glukoza + heksokinaza ATP Glukoza-6-P + ADP
2. Glukoza-6-P fosfoglukomutaza Glukoza-1-P
(zaangażowany w syntezę)
3. Glukoza-1-P + UTP glukoza-1-Purydylotransferaza UDP-1-glukoza + H 4 P 2 O 7
4. UDP-1-glukoza + syntaza glikogenu i glikogenu Glikogen + UDP
(nasionko)
Powstały UDP może być ponownie ufosforylowany przez ATP i cały cykl przemian glukozy-1-P powtarza się ponownie.
Aktywność enzymu syntazy glikogenu jest regulowana przez modyfikację kowalencyjną. Enzym ten może występować w dwóch postaciach: syntazy glikogenu I (niezależnej - niezależnej od glukozy-6-P) i syntazy glikogenu D (zależnej - zależnej od glukozy-6-P).
kinaza białkowa fosforyluje z udziałem ATP (nie fosforyluje formy enzymu I, przekształcając go w ufosforylowaną formę enzymu D, w której fosforylowane są grupy hydroksylowe seryny).
A czytamy:
W przewodzie pokarmowym ludzi i zwierząt skrobia jest hydrolizowana i przekształcana w glukozę, która jest wchłaniana przez organizm. Produktami pośrednimi hydrolizy skrobi są dekstryny.
Skrobia jako dodatek do żywności służy do zagęszczania wielu produktów spożywczych, robienia galaretek, dressingów i sosów.
Skrobia jest węglowodanem najobficiej występującym w ludzkiej diecie i znajduje się w wielu podstawowych produktach spożywczych. Głównymi źródłami skrobi na świecie są uprawy zbóż: ryż, pszenica, kukurydza; różne warzywa korzeniowe, w tym ziemniaki, a także maniok. Większość innych produktów zawierających skrobię rośnie tylko w określonych klimatach, takich jak: żyto, jęczmień, kasza gryczana, owies, proso, żołędzie, banany, kasztany, sorgo, słodkie ziemniaki, chlebowiec, pochrzyn, taro, chili, maranta, arracacha, canna, taro, Japoński kandyk, pueraria lobata, malanga, szczawik bulwiasty, takka pierzasto cięta, sago oraz wiele rodzajów roślin strączkowych, takich jak soczewica, fasola ogrodowa, fasola mung, groch łuskany, ciecierzyca.
Znane dania zawierające skrobię to: chleb, naleśniki, kluski, makarony, płatki zbożowe, galaretki i różne podpłomyki, w tym tortille.
W przypadku enzymów trawiennych rozkład skrobi krystalicznej (klasa PK3) jest nieco trudny. Surowa skrobia jest słabo trawiona w dwunastnicy i jelito cienkie, a rozkład bakterii będzie miał miejsce głównie w jelicie grubym. Pokarmy z dużą ilością amylozy są gorzej strawne niż te z amylopektyną. Jednocześnie nawet skrobia oporna (niestrawna) (klasy PK2, PK3, PK4) pełni swoją fizjologiczną rolę: obniża poziom cukru po hiperglikemii pokarmowej (wzrost stężenia glukozy we krwi, szczególnie ważny dla pacjentów cukrzyca), tworzy kwasy organiczne – energię nabłonka jelita grubego, wspomaga odporność przewodu pokarmowego, obronę przeciwzapalną organizmu i nie tylko. W celu zwiększenia strawności skrobi poddawana jest obróbce termicznej. Dlatego zanim ludzie zaczęli używać ognia - zboża i inne produkty wysokoskrobiowe nie były najbardziej Najlepszym sposobem pozyskiwanie energii ciała (w przeciwieństwie do pokarmów białkowych).
Żelatynizację i żelatynizację skrobi, np. podczas pieczenia ciast, można zmniejszyć przez rywalizację cukru o wodę, co poprawia teksturę skrobi, zapobiegając sklejaniu.
Wszystko wydaje się być dobre, a nawet cudowne. Okazuje się jednak, że organizm otrzymuje „wysokokaloryczne paliwo” w postaci skrobi, a nadmiar tego paliwa zaczyna być gromadzony w postaci tłuszczów, a wraz z nimi odkłada toksyny rozpuszczalne w tłuszczach, zamiast się wysypywać. ich. Sprzyja temu fakt, że rozpad skrobi następuje w ŻOŁĄDKU, a toksyny są wyrzucane przez wątrobę wraz z żółcią! Tych. szkoda nie jest bezpośrednia i zależy od ilości dostarczanej skrobi i zużycia energii przez organizm. „Wszystko jest trucizną, wszystko jest lekarstwem”, jak mawiał Paracelsus i miał rację.
