V preklade z nemčiny znamená škrob „silná múka“. Keďže ide o komplexný škrob, pozostáva z dvoch polymérov: amylózy (25 %) a amylopektínu (75 %). Vonkajšie je škrob bez chuti a zápachu, prakticky nerozpustný v studená voda, ale napučiava v horúcej vode, pričom nadobúda vlastnosti pasty. Po stlačení prstami biely prášok vydáva charakteristické vŕzganie. Pri pohľade pod mikroskopom zrnitý
Najprv pri rozklade škrobu vzniká polysacharid dextrín - produkt čiastočného rozkladu škrobu. Dextríny možno získať rýchlym zahrievaním škrobu obsahujúceho 10-20% vody.
Takýto produkt rozkladu škrobu ako dextrín našiel široké uplatnenie v národnom hospodárstve. Dextríny sa používajú na výrobu lepidiel používaných v rôznych priemyselných odvetviach, napríklad na označovanie nádob alebo lepenie obalových vriec. V zlievarenskom priemysle sa dextrín používa na viazanie zlievarenského piesku a v ľahkom priemysle na zvýšenie hustoty farieb na textil. Dextrín našiel uplatnenie v potravinárskom priemysle ako hlavný nosič potravinových práškov a farbív.
Maltóza, ktorá pozostáva z dvoch molekúl glukózy, má iný názov - sladový cukor, ktorý sa používa pri destilácii a varení piva. V prírode sa vo veľkom množstve nachádza v naklíčených zrnách obilnín, najmä veľa maltózy v jačmeni a raži. Čistá maltóza sa vyrába výlučne na laboratórne účely v malých množstvách.
Škrob je komplexný sacharid, ktorý sa nachádza v stonkách a listoch väčšiny rastlín a je produkovaný rastlinami v rezerve. Ako jedlo ľudia oddávna používali obilniny bohaté na škrob, ako je ryža, pšenica, raž a iné. Bohatá na škrob a milovaná všetkými zemiakmi, je najobľúbenejšia a najrozšírenejšia. Táto látka je jedným z najdôležitejších produktov pre ľudské telo. K rozkladu škrobu dochádza pod vplyvom enzýmov, pričom rozklad látky začína už v ľudských ústach. Ľudské sliny, obsahujúce enzým A-amyláza, čiastočne premieňajú škrob na maltózu.
V prostredí žalúdka nedochádza k rozkladu škrobu v dôsledku nečinnosti enzýmu A-amylázy v kyslom prostredí žalúdka. To je dôvod, prečo počiatočné dôkladné žuvanie jedla má veľký význam na ďalšie štiepenie a asimiláciu škrobu ľudským telom. V dvanástniku vplyvom A-amylázy obsiahnutej v žalúdočnej šťave vzniká pri rozklade škrobu bissacharid maltózy. Okrem toho sa maltóza rýchlo rozkladá na dve molekuly glukózy, ktoré ľudské telo absorbuje vďaka inzulínu vylučovanému pankreasom, bez ktorého je absorpcia glukózy ľudským telom nemožná. Pri rozklade škrobu sa tvorí glukóza a proces vychytávania glukózy prebieha postupne, čo vedie k výraznému zníženiu záťaže pankreasu, preto konzumácia dostatočného množstva rastlinného škrobu v potravinách môže slúžiť ako prevencia cukrovky.
Konečným produktom rozkladu škrobu je teda glukóza, najznámejší jednoduchý sacharid potrebný na výživu mozgového tkaniva a rôznych ľudských svalov.
Škrob je široko používaný v potravinárskom priemysle, je to jeden z multifunkčných pomocných produktov. Používa sa hlavne v zahusťovadlách a stabilizátoroch, aby produktom dodal správny vzhľad a textúru.
V čreve sa absorbujú iba monosacharidy: glukóza, galaktóza, fruktóza. Preto musia byť oligo- a polysacharidy, ktoré vstupujú do tela spolu s potravou, hydrolyzované enzýmovými systémami za vzniku monosacharidov. Na obr. 5.11 je schematicky znázornená lokalizácia enzymatických systémov podieľajúcich sa na trávení sacharidov, ktoré začína v ústnej dutine pôsobením perorálnej -amylázy a následne pokračuje v rôznych častiach čreva pomocou pankreatickej -amylázy, sacharázy-izomaltázy. , glykoamyláza, -glykozidáza (laktáza), trehalázové komplexy.
Ryža. 5.11. Schéma lokalizácie enzymatických systémov trávenia sacharidov
5.2.1. Trávenie uhľohydrátov ústami a pankreasom -amyláza ( -1,4-glykozidáza). Diétne polysacharidy, konkrétne škrob (pozostáva z lineárneho amylózového polysacharidu, v ktorom sú glukozylové zvyšky spojené -1,4-glykozidovými väzbami, a amylopektínu, rozvetveného polysacharidu, kde sa nachádzajú aj -1,6-glykozidové väzby), začnú hydrolyzovať už v ústnej dutine po navlhčení slinami obsahujúcimi hydrolytický enzým -amylázu (-1,4-glykozidázu) (EC 3.2.1.1), ktorá štiepi 1,4-glykozidové väzby v škrobe, ale nepôsobí na 1,6-glykozidových väzbách.
Navyše, čas kontaktu enzýmu so škrobom v ústnej dutine je krátky, takže škrob je čiastočne trávený, pričom vznikajú veľké fragmenty – dextríny a časť disacharidu maltózy. Disacharidy nie sú hydrolyzované slinnou amylázou.
Pri vstupe do žalúdka v kyslom prostredí je slinná amyláza inhibovaná, proces trávenia môže nastať iba vo vnútri potravinovej kómy, kde aktivita amylázy môže pretrvávať nejaký čas, kým sa pH v celom kuse nestane kyslým. V žalúdočnej šťave nie sú žiadne enzýmy, ktoré štiepia sacharidy, je možná len mierna kyslá hydrolýza glykozidových väzieb.
Hlavným miestom hydrolýzy oligo- a polysacharidov je tenké črevo, v ktorého rôznych častiach sa vylučujú určité glykozidázy.
V dvanástniku je obsah žalúdka neutralizovaný sekréciou pankreasu s obsahom hydrogénuhličitanov HCO 3 - s pH 7,5-8,0. V tajomstve pankreasu sa nachádza pankreatická amyláza, ktorá hydrolyzuje -1,4-glykozidové väzby v škrobe a dextrínoch za vzniku disacharidov maltózy (v tomto sacharide sú dva glukózové zvyšky spojené -1,4-glykozidickým väzby) a izomaltóza (v tomto uhľohydráte dva glukózové zvyšky umiestnené na miestach vetvenia v molekule škrobu a spojené a-1,6-glykozidovými väzbami). Vznikajú tiež oligosacharidy obsahujúce 8–10 glukózových zvyškov spojených -1,4-glykozidovými a -1,6-glykozidovými väzbami.
Obidve amylázy sú endoglykozidázy. Pankreatická amyláza tiež nehydrolyzuje -1,6-glykozidové väzby v škrobe a -1,4-glykozidové väzby, ktorými sú v molekule celulózy spojené glukózové zvyšky.
Celulóza prechádza črevami v nezmenenej forme a slúži ako balastná látka, dodáva potrave objem a uľahčuje proces trávenia. V hrubom čreve pôsobením bakteriálnej mikroflóry môže byť celulóza čiastočne hydrolyzovaná za vzniku alkoholov, organických kyselín a CO 2, ktoré môžu pôsobiť ako stimulanty črevnej motility.
Maltóza, izomaltóza a triózové cukry vznikajúce v hornom čreve sú ďalej hydrolyzované v tenkom čreve špecifickými glykozidázami. Disacharidy z potravy, sacharóza a laktóza, sú tiež hydrolyzované špecifickými disacharidázami v tenkom čreve.
V črevnom lúmene je aktivita oligo- a disacharidáz nízka, ale väčšina enzýmov je spojená s povrchom epitelových buniek, ktoré sa v čreve nachádzajú na prstovitých výrastkoch - klkoch a sú naopak pokryté mikroklkmi, všetky tieto bunky tvoria kefový lem, ktorý zväčšuje kontaktný povrch hydrolytických enzýmov s ich substrátmi.
Štiepením glykozidických väzieb v disacharidoch sa enzýmy (disacharidázy) zoskupujú do enzýmových komplexov umiestnených na vonkajšom povrchu cytoplazmatickej membrány enterocytov: sacharáza-izomaltáza, glykoamyláza, -glykozidáza.
5.2.2. Komplex sacharáza-izomaltáza. Tento komplex pozostáva z dvoch polypeptidových reťazcov a je pripojený k povrchu enterocytu pomocou transmembránovej hydrofóbnej domény umiestnenej v N-terminálnej časti polypeptidu. Komplex sacharáza-izomaltáza (EC 3.2.1.48 a 3.2.1.10) štiepi -1,2- a -1,6-glykozidové väzby v sacharóze a izomaltóze.
Oba enzýmy komplexu sú tiež schopné hydrolyzovať α-1,4-glykozidové väzby v maltóze a maltotrióze (trisacharid obsahujúci tri glukózové zvyšky a vznikajúci pri hydrolýze škrobu).
Hoci komplex má dosť vysokú maltázovú aktivitu, hydrolyzuje 80 % maltózy vytvorenej počas štiepenia oligo- a polysacharidov, jeho hlavnou špecifickosťou je stále hydrolýza sacharózy a izomaltózy, pričom rýchlosť hydrolýzy glykozidických väzieb je väčšia ako rýchlosť hydrolýzy väzieb v maltóze a maltotrióze. Podjednotka sacharózy je jediným črevným enzýmom, ktorý hydrolyzuje sacharózu. Komplex je lokalizovaný najmä v jejune, v proximálnej a distálnej časti čreva je obsah sacharázo-izomaltázového komplexu nevýznamný.
5.2.3. glykoamylázový komplex. Tento komplex (EC 3.2.1.3 a 3.2.1.20) hydrolyzuje -1,4-glykozidové väzby medzi glukózovými zvyškami v oligosacharidoch. Aminokyselinová sekvencia glykoamylázového komplexu má 60% homológiu so sekvenciou sacharáza-izomaltázového komplexu. Oba komplexy patria do rodiny 31 glykozylhydroláz. Ako exoglykozidáza pôsobí enzým z redukujúceho konca, môže tiež štiepiť maltózu, pričom v tejto reakcii pôsobí ako maltáza (v tomto prípade glykoamylázový komplex hydrolyzuje zvyšných 20 % maltózových oligo- a polysacharidov vytvorených počas trávenia ). Komplex obsahuje dve katalytické podjednotky s malými rozdielmi v substrátovej špecifickosti. Komplex je najaktívnejší v dolných častiach tenkého čreva.
5.2.4. -Glykozidázový komplex (laktáza). Tento enzýmový komplex hydrolyzuje -1,4-glykozidové väzby medzi galaktózou a glukózou v laktóze.
Glykoproteín je spojený s kefovým lemom a je nerovnomerne distribuovaný v tenkom čreve. S vekom aktivita laktázy klesá: je maximálna u dojčiat, u dospelých je nižšia ako 10 % úrovne enzýmovej aktivity izolovanej u detí.
5.2.5. Tregalase. Tento enzým (EC 3.2.1.28) je glykozidázový komplex, ktorý hydrolyzuje väzby medzi monomérmi v trehalóze, čo je disacharid nachádzajúci sa v hubách a pozostáva z dvoch glukozylových zvyškov spojených glykozidickou väzbou medzi prvými anomérnymi uhlíkmi.
V dôsledku pôsobenia glykozylhydroláz sa z potravinových sacharidov v dôsledku pôsobenia glykozylhydroláz tvoria monosacharidy: glukóza, fruktóza, galaktóza vo veľkom množstve a v menšej miere manóza, xylóza, arabinóza, ktoré sú absorbované epitelovými bunkami jejuna a ilea a transportované cez membrány týchto buniek pomocou špeciálnych mechanizmov.
5.2.6. Transport monosacharidov cez membrány črevných epiteliálnych buniek. Prenos monosacharidov do buniek črevnej sliznice sa môže uskutočniť uľahčenou difúziou a aktívnym transportom. V prípade aktívneho transportu je glukóza transportovaná cez membránu spolu s iónom Na + jedným nosným proteínom a tieto látky interagujú s rôznymi časťami tohto proteínu (obr. 5.12). Ión Na + vstupuje do bunky pozdĺž koncentračného gradientu a glukóza proti koncentračnému gradientu (sekundárny aktívny transport), preto čím väčší je gradient, tým viac glukózy sa prenesie do enterocytov. S poklesom koncentrácie Na + v extracelulárnej tekutine klesá zásoba glukózy. Gradient koncentrácie Na+, ktorý je základom aktívneho symportu, je zabezpečený pôsobením Na+, K+-ATPázy, ktorá funguje ako pumpa pumpujúca Na+ von z bunky výmenou za K+ ión. Rovnakým spôsobom galaktóza vstupuje do enterocytov mechanizmom sekundárneho aktívneho transportu.
Ryža. 5.12. Vstup monosacharidov do enterocytov. SGLT1 - sodík-dependentný transportér glukózy/galaktózy v membráne epitelových buniek; Na +, K + -ATPáza na bazolaterálnej membráne vytvára koncentračný gradient sodíkových a draselných iónov nevyhnutný pre fungovanie SGLT1. GLUT5 transportuje hlavne fruktózu cez membránu do bunky. GLUT2 na bazolaterálnej membráne transportuje glukózu, galaktózu a fruktózu von z bunky (podľa )
V dôsledku aktívneho transportu môžu enterocyty absorbovať glukózu v jej nízkej koncentrácii v črevnom lúmene. Pri vysokej koncentrácii glukózy sa do buniek dostáva uľahčenou difúziou pomocou špeciálnych nosných proteínov (transportérov). Rovnakým spôsobom sa fruktóza prenáša do epiteliálnych buniek.
Monosacharidy vstupujú do krvných ciev z enterocytov hlavne uľahčenou difúziou. Polovica glukózy cez kapiláry klkov cez portálnu žilu je transportovaná do pečene, polovica je dodávaná krvou do buniek iných tkanív.
5.2.7. Transport glukózy z krvi do buniek. Vstup glukózy z krvi do buniek sa uskutočňuje uľahčenou difúziou, t.j. rýchlosť transportu glukózy je určená gradientom jej koncentrácií na oboch stranách membrány. Vo svalových bunkách a tukovom tkanive je uľahčená difúzia regulovaná pankreatickým hormónom inzulínom. V neprítomnosti inzulínu bunková membrána neobsahuje transportéry glukózy. Transportér glukózy (transportér) z erytrocytov (GLUT1), ako je vidieť na obr. 5.13 je transmembránový proteín pozostávajúci zo 492 aminokyselinových zvyškov a majúci doménovú štruktúru. Polárne aminokyselinové zvyšky sú umiestnené na oboch stranách membrány, hydrofóbne sú lokalizované v membráne a niekoľkokrát ju prechádzajú. Na vonkajšej strane membrány je miesto viažuce glukózu. Keď sa glukóza naviaže, zmení sa konformácia nosiča a väzbové miesto pre monosacharid sa otvorí vo vnútri bunky. Glukóza prechádza do bunky, pričom sa oddeľuje od nosného proteínu.
5.2.7.1. Transportéry glukózy: GLUT 1, 2, 3, 4, 5. Transportéry glukózy boli nájdené vo všetkých tkanivách, ktorých existuje niekoľko druhov, očíslovaných v poradí, v akom boli objavené. Je opísaných päť typov GLUT, ktoré majú podobnú primárnu štruktúru a organizáciu domén.
GLUT 1, lokalizovaný v mozgu, placente, obličkách, hrubom čreve, erytrocytoch, dodáva glukózu do mozgu.
GLUT 2 transportuje glukózu z orgánov, ktoré ju vylučujú do krvi: enterocyty, pečeň, transportuje ju do β-buniek Langerhansových ostrovčekov pankreasu.
GLUT 3 sa nachádza v mnohých tkanivách vrátane mozgu, placenty, obličiek a zabezpečuje prísun glukózy do buniek nervového tkaniva.
GLUT 4 transportuje glukózu do svalových buniek (kostrových a srdcových) a tukového tkaniva a je závislý od inzulínu.
GLUT 5 sa nachádza v bunkách tenkého čreva a môže tolerovať aj fruktózu.
Všetky nosiče môžu byť lokalizované v cytoplazme
Ryža. 5.13. Štruktúra proteínu nosiča (transportéra) glukózy z erytrocytov (GLUT1) (podľa)
vezikuly v bunkách a v plazmatickej membráne. Pri nedostatku inzulínu sa GLUT 4 nachádza iba vo vnútri bunky. Pod vplyvom inzulínu sa vezikuly transportujú do plazmatickej membrány, splynú s ňou a do membrány sa zabuduje GLUT 4, po čom transportér uľahčuje difúziu glukózy do bunky. Po znížení koncentrácie inzulínu v krvi sa transportéry opäť vrátia do cytoplazmy a transport glukózy do bunky sa zastaví.
V práci transportérov glukózy boli identifikované rôzne poruchy. Pri dedičnom defekte nosných proteínov vzniká diabetes mellitus nezávislý od inzulínu. Okrem defektov bielkovín existujú aj ďalšie poruchy spôsobené: 1) poruchou prenosu inzulínového signálu o pohybe transportéra na membránu, 2) poruchou pohybu transportéra, 3) poruchou v zahrnutie proteínu do membrány, 4) porušenie šnurovania z membrány.
5.2.8. inzulín. Táto zlúčenina je hormón vylučovaný β-bunkami Langerhansových ostrovčekov pankreasu. Inzulín je polypeptid pozostávajúci z dvoch polypeptidových reťazcov: jeden obsahuje 21 aminokyselinových zvyškov (reťazec A), druhý obsahuje 30 aminokyselinových zvyškov (reťazec B). Reťazce sú vzájomne prepojené dvoma disulfidovými väzbami: A7-B7, A20-B19. Vo vnútri A-reťazca je intramolekulárna disulfidová väzba medzi šiestym a jedenástym zvyškom. Hormón môže existovať v dvoch konformáciách: T a R (obr. 5.14).
Ryža. 5.14. Priestorová štruktúra monomérnej formy inzulínu: a bravčový inzulín, T-konformácia, b ľudský inzulín, R-konformácia (zobrazený A-reťazec červená farba, B-reťazec žltá) (podľa )
Hormón môže existovať ako monomér, dimér a hexamér. V hexamérnej forme je inzulín stabilizovaný iónom zinku, ktorý sa koordinuje s His10 B reťazcom všetkých šiestich podjednotiek (obr. 5.15).
Cicavčie inzulíny majú veľkú homológiu v primárnej štruktúre s ľudským inzulínom: napríklad v prasacom inzulíne je iba jedna substitúcia - namiesto treonínu na karboxylovom konci B-reťazca je alanín, v hovädzom inzulíne sú tri ďalšie aminokyseliny rezíduí v porovnaní s ľudským inzulínom. Najčastejšie sa substitúcie vyskytujú na pozíciách 8, 9 a 10 A reťazca, ktoré však významne neovplyvňujú biologickú aktivitu hormónu.
Substitúcie aminokyselinových zvyškov v polohách disulfidových väzieb, hydrofóbne zvyšky v C- a N-koncových oblastiach A-reťazca a v C-koncových oblastiach B-reťazca sú veľmi zriedkavé, čo poukazuje na dôležitosť týchto oblasti v prejave biologickej aktivity inzulínu. Na tvorbe aktívneho centra hormónu sa podieľajú zvyšky Phe24 a Phe25 B-reťazca a C- a N-koncové zvyšky A-reťazca.
Ryža. 5.15. Priestorová štruktúra hexaméru inzulínu (R 6) (podľa )
5.2.8.1. biosyntéza inzulínu. Inzulín sa syntetizuje ako prekurzor, preproinzulín, obsahujúci 110 aminokyselinových zvyškov, na polyribozómoch v hrubom endoplazmatickom retikule. Biosyntéza začína tvorbou signálneho peptidu, ktorý vstupuje do lúmenu endoplazmatického retikula a riadi pohyb rastúceho polypeptidu. Na konci syntézy sa signálny peptid s dĺžkou 24 aminokyselinových zvyškov odštiepi z preproinzulínu za vzniku proinzulínu, ktorý obsahuje 86 aminokyselinových zvyškov a prenesie sa do Golgiho aparátu, kde v nádržiach prebieha ďalšie zrenie inzulínu. Priestorová štruktúra proinzulínu je znázornená na obr. 5.16.
V procese predĺženého zrenia sa pôsobením serínových endopeptidáz PC2 a PC1/3 najskôr štiepi peptidová väzba medzi Arg64 a Lys65, potom sa hydrolyzuje peptidová väzba tvorená Arg31 a Arg32, pričom C-peptid pozostáva z 31. aminokyselinové zvyšky sa štiepia. Konverzia proinzulínu na inzulín obsahujúci 51 aminokyselinových zvyškov končí hydrolýzou arginínových zvyškov na N-konci A-reťazca a C-konci B-reťazca pôsobením karboxypeptidázy E, ktorá vykazuje špecifickosť podobnú karboxypeptidáza B, t.j. hydrolyzuje peptidové väzby, iminoskupinu, ktorá patrí k hlavnej aminokyseline (obr. 5.17 a 5.18).
Ryža. 5.16. Navrhovaná priestorová štruktúra proinzulínu v konformácii, ktorá podporuje proteolýzu. Červené guľôčky označujú aminokyselinové zvyšky (Arg64 a Lys65; Arg31 a Arg32), peptidové väzby medzi ktorými podliehajú hydrolýze v dôsledku spracovania proinzulínu (podľa )
Inzulín a C-peptid v ekvimolárnych množstvách vstupujú do sekrečných granúl, kde inzulín v interakcii s iónom zinku vytvára diméry a hexaméry. Sekrečné granuly, ktoré sa spájajú s plazmatickou membránou, vylučujú inzulín a C-peptid do extracelulárnej tekutiny v dôsledku exocytózy. Polčas inzulínu v krvnej plazme je 3-10 minút, polčas C-peptidu je asi 30 minút. Inzulín sa rozkladá pôsobením enzýmu inzulínázy, tento proces prebieha v pečeni a obličkách.
5.2.8.2. Regulácia syntézy a sekrécie inzulínu. Hlavným regulátorom sekrécie inzulínu je glukóza, ktorá reguluje expresiu génu inzulínu a proteínových génov podieľajúcich sa na metabolizme hlavných nosičov energie. Glukóza sa môže priamo viazať na transkripčné faktory, čo má priamy vplyv na rýchlosť génovej expresie. Je možný sekundárny účinok na sekréciu inzulínu a glukagónu, keď uvoľnenie inzulínu zo sekrečných granúl aktivuje transkripciu inzulínovej mRNA. Ale sekrécia inzulínu závisí od koncentrácie iónov Ca 2+ a s ich nedostatkom klesá aj pri vysokej koncentrácii glukózy, ktorá aktivuje syntézu inzulínu. Okrem toho je inhibovaný adrenalínom, keď sa viaže na 2 receptory. Stimulátory sekrécie inzulínu sú rastové hormóny, kortizol, estrogény, hormóny tráviaceho traktu (sekretin, cholecystokinín, žalúdočný inhibičný peptid).
Ryža. 5.17. Syntéza a spracovanie preproinzulínu (podľa )
Sekrécia inzulínu β-bunkami Langerhansových ostrovčekov v reakcii na zvýšenie koncentrácie glukózy v krvi sa realizuje takto:
Ryža. 5.18. Spracovanie proinzulínu na inzulín hydrolýzou peptidovej väzby medzi Arg64 a Lys65, katalyzovanou serínovou endopeptidázou PC2, a štiepením peptidovej väzby medzi Arg31 a Arg32 serínovou endopeptidázou PC1/3, konverzia končí štiepením arginínových zvyškov na N -koniec A-reťazca a C-konca B-reťazca pôsobením karboxypeptidázy E (odštiepené arginínové zvyšky sú znázornené v krúžkoch). V dôsledku spracovania vzniká okrem inzulínu C-peptid (podľa)
1) glukóza je transportovaná do -buniek nosným proteínom GLUT 2;
2) v bunke glukóza podlieha glykolýze a ďalej sa oxiduje v dýchacom cykle za tvorby ATP; intenzita syntézy ATP závisí od hladiny glukózy v krvi;
3) pôsobením ATP sú kanály draslíkových iónov uzavreté a membrána je depolarizovaná;
4) depolarizácia membrány spôsobí otvorenie napäťovo závislých vápnikových kanálov a vstup vápnika do bunky;
5) zvýšenie hladiny vápnika v bunke aktivuje fosfolipázu C, ktorá štiepi jeden z membránových fosfolipidov – fosfatidylinozitol-4,5-difosfát – na inozitol-1,4,5-trifosfát a diacylglycerol;
6) inozitoltrifosfát, viažuci sa na receptorové proteíny endoplazmatického retikula, spôsobuje prudké zvýšenie koncentrácie naviazaného intracelulárneho vápnika, čo vedie k uvoľneniu vopred syntetizovaného inzulínu uloženého v sekrečných granulách.
5.2.8.3. Mechanizmus účinku inzulínu. Hlavným účinkom inzulínu na svalové a tukové bunky je zvýšenie transportu glukózy cez bunkovú membránu. Stimulácia inzulínom vedie k zvýšeniu rýchlosti vstupu glukózy do bunky 20-40 krát. Pri stimulácii inzulínom dochádza k 5–10-násobnému zvýšeniu obsahu glukózových transportných proteínov v plazmatických membránach pri súčasnom znížení o 50–60 % ich obsahu v intracelulárnom poole. Potrebné množstvo energie vo forme ATP je potrebné hlavne na aktiváciu inzulínového receptora, a nie na fosforyláciu transportného proteínu. Stimulácia transportu glukózy zvyšuje spotrebu energie 20–30-krát, zatiaľ čo na pohyb glukózových transportérov je potrebné len malé množstvo glukózy. Translokácia glukózových transportérov do bunkovej membrány sa pozoruje už niekoľko minút po interakcii inzulínu s receptorom a na urýchlenie alebo udržanie procesu cyklovania transportných proteínov sú potrebné ďalšie stimulačné účinky inzulínu.
Inzulín, podobne ako iné hormóny, pôsobí na bunky prostredníctvom zodpovedajúceho receptorového proteínu. Inzulínový receptor je komplexný integrálny proteín bunkovej membrány pozostávajúci z dvoch -podjednotiek (130 kDa) a dvoch -podjednotiek (95 kDa); prvé sú umiestnené úplne mimo bunky, na jej povrchu, druhé prenikajú cez plazmatickú membránu.
Inzulínový receptor je tetramér pozostávajúci z dvoch extracelulárnych α-podjednotiek interagujúcich s hormónom a navzájom spojených disulfidovými mostíkmi medzi cysteínmi 524 a Cys682, Cys683, Cys685 tripletom oboch α-podjednotiek (pozri obr. 5.19, a) a dve transmembránové -podjednotky vykazujúce aktivitu tyrozínkinázy spojené disulfidovým mostíkom medzi Cys647 () a Cys872. Polypeptidový reťazec α-podjednotky s molekulovou hmotnosťou 135 kDa obsahuje 719 amino-
Ryža. 5.19. Štruktúra diméru inzulínového receptora: a modulárna štruktúra inzulínového receptora. Hore - a-podjednotky spojené disulfidovými mostíkmi Cys524, Cys683-685 a pozostávajúce zo šiestich domén: dve obsahujúce leucínové opakovania L1 a L2, oblasť CR bohatú na cysteín a tri fibronektínové domény typu III Fno, Fn1, ID (úvod doména). Nižšie - -podjednotky spojené s -podjednotkou pomocou Cys647Cys872 disulfidového mostíka a pozostávajúce zo siedmich domén: tri fibronektínové domény ID, Fn 1 a Fn 2 ST; b priestorové usporiadanie receptora, jeden dimér je znázornený farebne, druhý je biely, A aktivačná slučka oproti miestu väzby hormónu, X (červená) C-koncová časť -podjednotky, X (čierna) N -koncová časť -podjednotky, žlté guličky 1,2,3 - disulfidové väzby medzi cysteínovými zvyškami na pozíciách 524, 683-685, 647-872 (podľa )
kyslých zvyškov a pozostáva zo šiestich domén: dvoch domén L1 a L2 obsahujúcich leucínové opakovania, CR oblasti bohatej na cysteín, kde sa nachádza miesto viažuce inzulín, a troch fibronektínových domén typu III Fno, Fn1, Ins (úvodná doména) (pozri Obr. 5.18). -podjednotka obsahuje 620 aminokyselinových zvyškov, má molekulovú hmotnosť 95 kDa a pozostáva zo siedmich domén: tri fibronektínové domény ID, Fn 1 a Fn 2, transmembránová TM doména, JM doména susediaca s membránou, TK tyrozínkinázová doména a C-koncový CT. Na receptore sa našli dve miesta viažuce inzulín: jedno s vysokou afinitou a druhé s nízkou afinitou. Na vedenie hormonálneho signálu do bunky sa musí inzulín naviazať na vysoko afinitné miesto. Toto centrum sa tvorí, keď sa inzulín viaže z domén L1, L2 a CR jednej -podjednotky a fibronektínových domén druhej, zatiaľ čo usporiadanie -podjednotiek je navzájom opačné, ako je znázornené na obr. 5.19, s
Pri absencii interakcie inzulínu s centrom vysokej afinity receptora sú -podjednotky od -podjednotiek posunuté výbežkom (vačkou), ktorý je súčasťou CR domény, ktorý bráni kontaktu aktivačnej slučky (A -slučka) tyrozínkinázovej domény jednej -podjednotky s fosforylačnými miestami na inej - podjednotke (obrázok 5.20, b). Keď sa inzulín naviaže na vysokoafinitné centrum inzulínového receptora, zmení sa konformácia receptora, výstupok už nebráni priblíženiu α- a β-podjednotiek, aktivačné slučky TK domén interagujú s miestami fosforylácie tyrozínu na protiľahlom TK. domény, transfosforylácia β-podjednotiek nastáva na siedmich tyrozínových zvyškoch: Y1158, Y1162, Y1163 aktivačnej slučky (toto je kinázová regulačná doména), Y1328, Y1334 domény ST, Y965, Y972 domény JM (obr. 5.20 , a), čo vedie k zvýšeniu tyrozínkinázovej aktivity receptora. V polohe 1030 TK je v katalyticky aktívnom centre obsiahnutý lyzínový zvyšok - ATP-väzbové centrum. Nahradenie tohto lyzínu mnohými inými aminokyselinami miestne cielenou mutagenézou ruší tyrozínkinázovú aktivitu inzulínového receptora, ale nezhoršuje väzbu inzulínu. Avšak pridanie inzulínu k takémuto receptoru nemá žiadny vplyv na bunkový metabolizmus a proliferáciu. Fosforylácia niektorých serín-treonínových zvyškov naopak znižuje afinitu k inzulínu a znižuje aktivitu tyrozínkinázy.
Je známych viacero substrátov inzulínových receptorov: IRS-1 (substrát inzulínového receptora), IRS-2, proteíny rodiny STAT (prevodník signálu a aktivátor transkripcie - prevodníkom signálu a aktivátorom transkripcie sa podrobne venuje 4. časť „Biochemické základy obranyschopnosti reakcie“).
IRS-1 je cytoplazmatický proteín, ktorý sa viaže na fosforylované tyrozíny inzulínového receptora TK svojou doménou SH2 a je fosforylovaný tyrozínkinázou receptora ihneď po stimulácii inzulínom. Stupeň fosforylácie substrátu závisí od zvýšenia alebo zníženia bunkovej odpovede na inzulín, amplitúdy zmien v bunkách a citlivosti na hormón. Príčinou inzulín-dependentného diabetu môže byť poškodenie génu IRS-1. Peptidový reťazec IRS-1 obsahuje asi 1200 aminokyselinových zvyškov, 20–22 potenciálnych tyrozínových fosforylačných centier a asi 40 serín-treonínových fosforylačných centier.
Ryža. 5.20. Zjednodušená schéma štrukturálnych zmien, keď sa inzulín viaže na inzulínový receptor: a zmena konformácie receptora ako dôsledok väzby hormónov na vysokoafinitné centrum vedie k vytesneniu protrúzie, konvergencii podjednotiek a transfosforylácii TK domén; b pri absencii interakcie inzulínu s vysoko afinitným väzbovým miestom na inzulínovom receptore výbežok (vačka) bráni priblíženiu - a -podjednotiek a transfosforylácii TK domén. A-slučka - aktivačná slučka domény TK, čísla 1 a 2 v kruhu - disulfidové väzby medzi podjednotkami, TK - doména tyrozínkinázy, C - katalytické centrum TK, sada 1 a sada 2 - aminokyselinové sekvencie -podjednotiek ktoré tvoria miesto s vysokou afinitou inzulínu k receptoru (podľa )
Fosforylácia IRS-1 na niekoľkých tyrozínových zvyškoch mu dáva schopnosť viazať sa na proteíny obsahujúce SH2 domény: tyrozín fosfatáza syp, p85 podjednotka PHI-3-kinázy (fosfatidylinozitol-3-kináza), adaptorový proteín Grb2, proteín tyrozín fosfatáza SH- PTP2, fosfolipáza C, GAP (aktivátor malých proteínov viažucich GTP). V dôsledku interakcie IRS-1 s podobnými proteínmi sa generujú viaceré downstream signály.
Ryža. 5.21. Translokácia glukózových transportných proteínov GLUT 4 vo svalových a tukových bunkách z cytoplazmy do plazmatickej membrány pôsobením inzulínu. Interakcia inzulínu s receptorom vedie k fosforylácii substrátu inzulínového receptora (IRS), ktorý viaže PI-3-kinázu (PI3K), ktorá katalyzuje syntézu fosfatidylinozitol-3,4,5-trifosfát fosfolipidu (PtdIns(3, 4,5) P3). Posledná uvedená zlúčenina naviazaním plextrínových domén (PH) mobilizuje proteínkinázy PDK1, PDK2 a PKV k bunkovej membráne. PDK1 fosforyluje RKB na Thr308, čím ju aktivuje. Fosforylovaný RKV sa spája s vezikulami obsahujúcimi GLUT4, čo spôsobuje ich translokáciu do plazmatickej membrány, čo vedie k zvýšenému transportu glukózy do svalových a tukových buniek (podľa )
Fosfolipáza C, stimulovaná fosforylovaným IRS-1, hydrolyzuje fosfolipid fosfatidylinozitol-4,5-difosfát bunkovej membrány za vzniku dvoch druhých poslov: inozitol-3,4,5-trifosfát a diacylglycerol. Inozitol-3,4,5-trifosfát, pôsobiaci na iónové kanály endoplazmatického retikula, z neho uvoľňuje vápnik. Diacylglycerol pôsobí na kalmodulín a proteínkinázu C, ktorá fosforyluje rôzne substráty, čo vedie k zmene aktivity bunkových systémov.
Fosforylovaný IRS-1 tiež aktivuje PHI-3-kinázu, ktorá katalyzuje fosforyláciu fosfatidylinozitol-4-fosfátu a fosfatidylinozitol-4,5-difosfátu v polohe 3 za vzniku fosfatidylinozitol-3-fosfátu, fosfatidylinozitol-3,4-difosfátu, a fosfatidylinozitol, v tomto poradí, -3,4,5-trifosfát.
PHI-3-kináza je heterodimér obsahujúci regulačné (p85) a katalytické (p110) podjednotky. Regulačná podjednotka má dve domény SH2 a doménu SH3, takže kináza PI-3 sa viaže na IRS-1 s vysokou afinitou. Deriváty fosfatidylinozitolu tvorené v membráne, fosforylované v polohe 3, viažu proteíny obsahujúce takzvanú plextrínovú (PH) doménu (doména vykazuje vysokú afinitu k fosfatidylinozitol-3-fosfátom): proteínkináza PDK1 (kináza závislá od fosfatidylinozitidu), proteín kináza B (PKV).
Proteínkináza B (PKB) pozostáva z troch domén: N-koncový plextrín, centrálna katalytická a C-koncová regulačná. Plektrínová doména je potrebná na aktiváciu RKV. Väzbou pomocou plextrínovej domény v blízkosti bunkovej membrány sa PKV približuje k proteínkináze PDK1, ktorá prostredníctvom
jeho plextrínová doména je tiež lokalizovaná v blízkosti bunkovej membrány. PDK1 fosforyluje Thr308 PKV kinázovej domény, čo vedie k aktivácii PKV. Aktivovaný PKV fosforyluje glykogénsyntázu kinázu 3 (v polohe Ser9), čo spôsobuje inaktiváciu enzýmu a tým aj proces syntézy glykogénu. Phi-3-fosfát-5-kináza tiež podlieha fosforylácii, ktorá pôsobí na vezikuly, v ktorých sú v cytoplazme adipocytov uložené nosné proteíny GLUT 4, čo spôsobuje pohyb glukózových transportérov k bunkovej membráne, inkorporáciu do nej a transmembránový transport glukózy. do svalových a tukových buniek (obr. 5.21).
Inzulín ovplyvňuje nielen vstup glukózy do bunky pomocou nosných bielkovín GLUT 4. Podieľa sa na regulácii metabolizmu glukózy, tukov, aminokyselín, iónov, na syntéze bielkovín, ovplyvňuje procesy replikácie a transkripcie.
Účinok na metabolizmus glukózy v bunke sa uskutočňuje stimuláciou procesu glykolýzy zvýšením aktivity enzýmov zapojených do tohto procesu: glukokináza, fosfofruktokináza, pyruvátkináza, hexokináza. Inzulín cez adenylátcyklázovú kaskádu aktivuje fosfatázu, ktorá defosforyluje glykogénsyntázu, čo vedie k aktivácii syntézy glykogénu (obr. 5.22) a inhibícii procesu jeho rozkladu. Inhibíciou fosfoenolpyruvátkarboxykinázy inzulín inhibuje proces glukoneogenézy.
Ryža. 5.22. Schéma syntézy glykogénu
V pečeni a tukovom tkanive sa pod pôsobením inzulínu stimuluje syntéza tukov aktiváciou enzýmov: acetyl-CoA karboxylázy, lipoproteínovej lipázy. Zároveň je inhibované odbúravanie tukov, pretože inzulínom aktivovaná fosfatáza, defosforylujúca triacylglycerollipázu citlivú na hormóny, inhibuje tento enzým a koncentrácia mastných kyselín cirkulujúcich v krvi klesá.
V pečeni, tukovom tkanive, kostrovom svale a srdci ovplyvňuje inzulín rýchlosť transkripcie viac ako stovky génov.
5.2.9. Glukagón. V reakcii na pokles koncentrácie glukózy v krvi produkujú -bunky Langerhansových ostrovčekov pankreasu "hormón hladu" - glukagón, čo je polypeptid s molekulovou hmotnosťou 3485 Da, pozostávajúci z 29 aminokyselín. zvyškov.
Účinok glukagónu je opačný ako účinok inzulínu. Inzulín podporuje ukladanie energie stimuláciou glykogenézy, lipogenézy a syntézy bielkovín a glukagón stimuláciou glykogenolýzy a lipolýzy spôsobuje rýchlu mobilizáciu potenciálnych zdrojov energie.
Ryža. 5.23. Štruktúra ľudského proglukagónu a tkanivovo špecifické spracovanie proglukagónu na peptidy odvodené od proglukagónu: glukagón a MPGF (primárny fragment proglukagónu) sa tvoria z proglukagónu v pankrease; Glycentín, oxyntomodulín, GLP-1 (peptid odvodený z proglukagónu), GLP-2, dva intermediárne peptidy (intervenujúci peptid - IP), GRPP - pankreatický polypeptid príbuzný glicentínu (polypeptid z pankreasu - derivát glycentínu) (podľa )
Hormón je syntetizovaný α-bunkami Langerhansových ostrovčekov pankreasu, ako aj v neuroendokrinných bunkách čreva a v centrálnom nervovom systéme vo forme neaktívneho prekurzora, proglukagónu ( molekulová hmotnosť 9000 Da), ktorý obsahuje 180 aminokyselinových zvyškov a spracováva sa konvertázou 2 a vytvára niekoľko peptidov rôznych dĺžok, vrátane glukagónu a dvoch glukagónu podobných peptidov (glukagónu podobný peptid GLP-1, GLP-2, glycentín) (obr. 5.23 ). 14 z 27 aminokyselinových zvyškov glukagónu je identických so zvyškami v molekule iného hormónu gastrointestinálneho traktu, sekretínu.
Na naviazanie glukagónu na receptory odpovedajúcich buniek je potrebná integrita jeho 1-27 sekvencie od N-konca. Dôležitú úlohu v prejave účinkov hormónu zohráva histidínový zvyšok lokalizovaný na N-konci a vo väzbe na receptory fragment 20-27.
V krvnej plazme sa glukagón neviaže na žiadny transportný proteín, jeho polčas je 5 minút, v pečeni je zničený proteinázami, pričom rozklad začína štiepením väzby medzi Ser2 a Gln3 a odstránením dipeptidu z N-konca.
Sekrécia glukagónu je inhibovaná glukózou, ale stimulovaná bielkovinovými potravinami. GLP-1 inhibuje sekréciu glukagónu a stimuluje sekréciu inzulínu.
Glukagón pôsobí len na hepatocyty a tukové bunky, ktoré preň majú receptory v plazmatickej membráne. V hepatocytoch glukagón naviazaním na receptory na plazmatickej membráne aktivuje adenylátcyklázu, ktorá katalyzuje tvorbu cAMP, pomocou G-proteínu, čo následne vedie k aktivácii fosforylázy, ktorá urýchľuje rozklad glykogénu a inhibíciu glykogénsyntázy a inhibíciu tvorby glykogénu. Glukagón stimuluje glukoneogenézu indukciou syntézy enzýmov zapojených do tohto procesu: glukóza-6-fosfatáza, fosfoenolpyruvátkarboxykináza, fruktóza-1,6-difosfatáza. Čistým účinkom glukagónu v pečeni je zvýšenie produkcie glukózy.
V tukových bunkách hormón tiež pomocou adenylátcyklázovej kaskády aktivuje triacylglycerollipázu citlivú na hormóny, čím stimuluje lipolýzu. Glukagón zvyšuje sekréciu katecholamínov dreňou nadobličiek. Glukagón účasťou na realizácii reakcií typu „bojuj alebo uteč“ zvyšuje dostupnosť energetických substrátov (glukóza, voľné mastné kyseliny) pre kostrové svalstvo a zvyšuje prekrvenie kostrového svalstva zvýšením práce srdca.
Glukagón nemá žiadny vplyv na glykogén kostrového svalstva kvôli takmer úplnej absencii glukagónových receptorov v nich. Hormón spôsobuje zvýšenie sekrécie inzulínu z pankreatických β-buniek a inhibíciu aktivity inzulínázy.
5.2.10. Regulácia metabolizmu glykogénu. Akumulácia glukózy v tele vo forme glykogénu a jej rozklad sú v súlade s energetickými potrebami tela. Smer procesov metabolizmu glykogénu je regulovaný mechanizmami závislými od pôsobenia hormónov: v pečeni inzulín, glukagón a adrenalín, vo svaloch inzulín a adrenalín. K prepínaniu procesov syntézy alebo rozkladu glykogénu dochádza pri prechode z obdobia absorpcie do obdobia postabsorpčného alebo keď sa stav pokoja mení na fyzickú prácu.
5.2.10.1. Regulácia aktivity glykogén fosforylázy a glykogén syntázy. Pri zmene koncentrácie glukózy v krvi dochádza k syntéze a sekrécii inzulínu a glukagónu. Tieto hormóny regulujú procesy syntézy a rozkladu glykogénu prostredníctvom ovplyvňovania aktivity kľúčových enzýmov týchto procesov: glykogénsyntázy a glykogénfosforylázy prostredníctvom ich fosforylácie-defosforylácie.
Ryža. 5.24 Aktivácia glykogén fosforylázy fosforyláciou zvyšku Ser14 glykogén fosforylázou kinázou a inaktivácia fosfatázou katalyzujúcou defosforyláciu serínového zvyšku (podľa )
Oba enzýmy existujú v dvoch formách: fosforylované (aktívna glykogén fosforyláza a a neaktívna glykogénsyntáza) a defosforylovaná (neaktívna fosforyláza b a aktívna glykogénsyntáza) (obrázky 5.24 a 5.25). Fosforylácia sa uskutočňuje kinázou katalyzujúcou prenos fosfátového zvyšku z ATP na serínový zvyšok a defosforylácia je katalyzovaná fosfoproteínfosfatázou. Kinázové a fosfatázové aktivity sú tiež regulované fosforyláciou-defosforyláciou (pozri obr. 5.25).
Ryža. 5.25. Regulácia aktivity glykogénsyntázy. Enzým sa aktivuje pôsobením fosfoproteínfosfatázy (PP1), ktorá defosforyluje tri fosfoserínové zvyšky blízko C-konca v glykogénsyntáze. Glykogénsyntáza kináza 3 (GSK3), ktorá katalyzuje fosforyláciu troch serínových zvyškov v glykogénsyntáze, inhibuje syntézu glykogénu a je aktivovaná fosforyláciou kazeínkinázy (CKII). Inzulín, glukóza a glukóza-6-fosfát aktivujú fosfoproteínfosfatázu, zatiaľ čo glukagón a epinefrín (epinefrín) ju inhibujú. Inzulín inhibuje pôsobenie glykogénsyntázy kinázy 3 (podľa)
cAMP-dependentná proteínkináza A (PKA) fosforyluje fosforylázovú kinázu a premieňa ju na aktívny stav, ktorý následne fosforyluje glykogén fosforylázu. Syntéza cAMP je stimulovaná adrenalínom a glukagónom.
Inzulín cez kaskádu zahŕňajúcu proteín Ras (signálna dráha Ras) aktivuje proteínkinázu pp90S6, ktorá fosforyluje a tým aktivuje fosfoproteínfosfatázu. Aktívna fosfatáza defosforyluje a inaktivuje fosforylázovú kinázu a glykogénfosforylázu.
Fosforylácia glykogénsyntázy PKA vedie k jej inaktivácii a defosforylácia fosfoproteínfosfatázou aktivuje enzým.
5.2.10.2. Regulácia metabolizmu glykogénu v pečeni. Zmena koncentrácie glukózy v krvi mení aj relatívne koncentrácie hormónov: inzulínu a glukagónu. Pomer koncentrácie inzulínu ku koncentrácii glukagónu v krvi sa nazýva „inzulín-glukagónový index“. V postabsorpčnom období index klesá a regulácia koncentrácie glukózy v krvi je ovplyvnená koncentráciou glukagónu.
Glukagón, ako je uvedené vyššie, aktivuje uvoľňovanie glukózy do krvi v dôsledku rozkladu glykogénu (aktivácia glykogén fosforylázy a inhibícia glykogénsyntázy) alebo syntézou z iných látok - glukoneogenézou. Z glykogénu vzniká glukóza-1-fosfát, ktorý sa izomerizuje na glukóza-6-fosfát, ktorý sa pôsobením glukózo-6-fosfatázy hydrolyzuje za vzniku voľnej glukózy, ktorá môže opustiť bunku do krvi (obr. 5.26).
Pôsobenie adrenalínu na hepatocyty je v prípade využitia 2 receptorov podobné ako pôsobenie glukagónu a je spôsobené fosforyláciou a aktiváciou glykogén fosforylázy. V prípade interakcie adrenalínu s 1 -receptormi plazmatickej membrány sa transmembránový prenos hormonálneho signálu uskutočňuje pomocou mechanizmu inozitolfosfátu. V oboch prípadoch sa aktivuje proces štiepenia glykogénu. Použitie jedného alebo druhého typu receptora závisí od koncentrácie adrenalínu v krvi.
Ryža. 5.26. Schéma fosforolýzy glykogénu
Pri trávení stúpa inzulín-glukagónový index a prevažuje vplyv inzulínu. Inzulín znižuje koncentráciu glukózy v krvi, aktivuje fosforyláciou cestou Ras cAMP fosfodiesterázu, ktorá hydrolyzuje tohto druhého posla za vzniku AMP. Inzulín tiež prostredníctvom Ras dráhy aktivuje fosfoproteínfosfatázu glykogénových granúl, ktorá defosforyluje a aktivuje glykogénsyntázu a inaktivuje fosforylázovú kinázu a samotnú glykogénfosforylázu. Inzulín indukuje syntézu glukokinázy na urýchlenie fosforylácie glukózy v bunke a jej začlenenie do glykogénu. Inzulín teda aktivuje proces syntézy glykogénu a inhibuje jeho rozklad.
5.2.10.3. Regulácia metabolizmu glykogénu vo svaloch. V prípade intenzívnej svalovej práce je odbúravanie glykogénu urýchlené adrenalínom, ktorý sa viaže na 2 receptory a cez systém adenylátcyklázy vedie k fosforylácii a aktivácii fosforyláz kinázy a glykogén fosforylázy a inhibícii glykogénsyntázy (obr. 5.27 resp. 5.28). V dôsledku ďalšej premeny glukóza-6-fosfátu vytvoreného z glykogénu dochádza k syntéze ATP, ktorá je nevyhnutná na realizáciu intenzívnej svalovej práce.
Ryža. 5.27. Regulácia aktivity glykogén fosforylázy vo svaloch (podľa)
V pokoji je svalová glykogénfosforyláza neaktívna, pretože je v defosforylovanom stave, ale štiepenie glykogénu nastáva v dôsledku alosterickej aktivácie glykogénfosforylázy b pomocou AMP a ortofosfátu, ktoré sa tvoria počas hydrolýzy ATP.
Ryža. 5.28. Regulácia aktivity glykogénsyntázy vo svaloch (podľa)
Pri miernych svalových kontrakciách môže byť fosforylázová kináza aktivovaná alostericky (iónmi Ca2+). Koncentrácia Ca2+ sa zvyšuje so svalovou kontrakciou v reakcii na signál motorického nervu. Pri zoslabení signálu pokles koncentrácie Ca2+ súčasne „vypne“ aktivitu kinázy, teda
Ca 2+ ióny sa podieľajú nielen na svalovej kontrakcii, ale aj na poskytovaní energie pre tieto kontrakcie.
Ca 2+ ióny sa viažu na kalmodulínový proteín, v tomto prípade pôsobiaci ako jedna z kinázových podjednotiek. Svalová fosforylázová kináza má štruktúru 4 4 4 4. Katalytické vlastnosti má iba -podjednotka, - a -podjednotky, ktoré sú regulačné, sú fosforylované na serínových zvyškoch pomocou PKA, -podjednotka je identická s proteínom kalmodulínu (podrobne diskutované v časti 2.3.2, časť 2 “ Biochemistry of Movement"), viaže štyri ióny Ca 2+, čo vedie ku konformačným zmenám, aktivácii katalytickej -podjednotky, hoci kináza zostáva v defosforylovanom stave.
Počas trávenia v pokoji dochádza aj k syntéze svalového glykogénu. Glukóza vstupuje do svalových buniek pomocou nosných proteínov GLUT 4 (ich mobilizácia do bunkovej membrány pôsobením inzulínu je podrobne popísaná v časti 5.2.4.3 a na obr. 5.21). Vplyv inzulínu na syntézu glykogénu vo svaloch sa tiež uskutočňuje prostredníctvom defosforylácie glykogénsyntázy a glykogénfosforylázy.
5.2.11. Neenzymatická glykozylácia proteínov. Jedným z typov posttranslačnej modifikácie proteínov je glykozylácia serínových, treonínových, asparagínových a hydroxylyzínových zvyškov pomocou glykozyltransferáz. Keďže pri trávení vzniká v krvi vysoká koncentrácia sacharidov (redukujúcich cukrov), je možná neenzymatická glykozylácia bielkovín, lipidov a nukleových kyselín, nazývaná glykácia. Produkty, ktoré sú výsledkom viacstupňovej interakcie cukrov s proteínmi, sa nazývajú pokročilé glykačné koncové produkty (AGE) a nachádzajú sa v mnohých ľudských proteínoch. Polčas rozpadu týchto produktov je dlhší ako u proteínov (niekoľko mesiacov až niekoľko rokov) a rýchlosť ich tvorby závisí od úrovne a dĺžky pôsobenia redukujúceho cukru. Predpokladá sa, že s ich vznikom sú spojené mnohé komplikácie vyplývajúce z cukrovky, Alzheimerovej choroby a šedého zákalu.
Proces glykácie možno rozdeliť do dvoch fáz: skorú a neskorú. V prvej fáze glykácie dochádza k nukleofilnému napadnutiu karbonylovej skupiny glukózy -aminoskupinou lyzínu alebo guanidíniovou skupinou arginínu, čo vedie k vytvoreniu labilnej Schiffovej bázy - N-glykozylimín (obr. 5.29).Tvorba Schiffovej bázy je pomerne rýchly a reverzibilný proces.
Nasleduje preskupenie N-glykozylimín za vzniku produktu Amadori - 1-amino-1-deoxyfruktóza. Rýchlosť tohto procesu je nižšia ako rýchlosť tvorby glykozylimínu, ale výrazne vyššia ako rýchlosť hydrolýzy Schiffovej bázy,
Ryža. 5.29. Schéma glykácie proteínov. Otvorená forma uhľohydrátu (glukóza) reaguje s -aminoskupinou lyzínu za vzniku Schiffovej bázy, ktorá podlieha preskupeniu Amadoriho na ketoamín prostredníctvom prechodnej tvorby enolamínu. Amadoriho preskupenie sa urýchli, ak sa zvyšky aspartátu a arginínu nachádzajú v blízkosti lyzínového zvyšku. Ketoamín potom môže poskytnúť rôzne produkty (konečné produkty glykácie – AGE). Diagram ukazuje reakciu s druhou molekulou uhľohydrátu za vzniku diketoamínu (podľa )
preto sa v krvi hromadia proteíny obsahujúce 1-amino-1-deoxyfruktózové zvyšky Modifikácie lyzínových zvyškov v proteínoch v ranom štádiu glykácie sú zjavne uľahčené prítomnosťou histidínových, lyzínových alebo arginínových zvyškov v bezprostrednej blízkosti reagujúca aminoskupina, ktorá vykonáva kyselinu - hlavná katalýza procesu, ako aj aspartátové zvyšky, ktoré vytiahnu protón z druhého atómu uhlíka cukru. Ketoamín môže viazať ďalší sacharidový zvyšok na iminoskupine za vzniku dvojito glykovaného lyzínu, ktorý sa mení na diketoamín (pozri obr. 5.29).
Neskoré štádium glykácie vrátane ďalších transformácií N‑glykozylimín a produkt Amadori, pomalší proces vedúci k tvorbe stabilných konečných produktov glykácie (AGE). AT nedávne časy objavili sa údaje o priamej účasti na tvorbe AGE α-dikarbonylových zlúčenín (glyoxal, metylglyoxal, 3-deoxyglukozón), ktoré vznikajú v vivo ako pri degradácii glukózy, tak aj v dôsledku transformácií Schiffovej bázy pri modifikácii lyzínu v zložení bielkovín glukózou (obr. 5.30). Špecifické reduktázy a sulfhydrylové zlúčeniny (kyselina lipoová, glutatión) sú schopné transformovať reaktívne dikarbonylové zlúčeniny na neaktívne metabolity, čo sa prejavuje znížením tvorby konečných produktov glykácie.
Reakcie α-dikarbonylových zlúčenín s ε-aminoskupinami lyzínových zvyškov alebo guanidíniovými skupinami arginínových zvyškov v proteínoch vedú k tvorbe proteínových priečnych väzieb, ktoré sú zodpovedné za komplikácie spôsobené glykáciou proteínov pri cukrovke a iných ochoreniach. Okrem toho v dôsledku postupnej dehydratácie produktu Amadori na C4 a C5 vznikajú 1-amino-4-deoxy-2,3-dión a -endión, ktoré sa môžu podieľať aj na tvorbe vnútromolekulových a medzimolekulových proteínových zosieťovaní. .
Medzi AGE charakterizované N ε ‑karboxymetyllyzín (CML) a N ε -karboxyetyllyzín (CEL), bis(lyzyl)imidazolové adukty (GOLD - glyoxal-lyzyl-lyzyl-dimér, MOLD - metylglyoxal-lyzyl-lysyl-dimér, DOLD - deoxyglukoson-lyzyl-lysyl-dimér), imidazolóny (G-H, MG‑ H a 3DG-H), pyrralín, argpyrimidín, pentozidín, crosslín a vesperlyzín. 5.31 ukazuje niektoré
Ryža. 5.30. Schéma glykácie proteínov v prítomnosti D-glukózy. V rámčeku sú zobrazené hlavné prekurzory produktov AGE, ktoré sú výsledkom glykácie (podľa )
konečné produkty glykácie. Napríklad pentozidín a karboxymetyllyzín (CML), konečné produkty glykácie vytvorené za oxidačných podmienok, sa nachádzajú v proteínoch s dlhou životnosťou: kožný kolagén a šošovkový kryštalín. Karboxymetyllyzín vnáša do proteínu negatívne nabitú karboxylovú skupinu namiesto pozitívne nabitej aminoskupiny, čo môže viesť k zmene náboja na povrchu proteínu, k zmene priestorovej štruktúry proteínu. CML je antigén rozpoznávaný protilátkami. Množstvo tohto produktu sa lineárne zvyšuje s vekom. Pentosidín je zosieťovanie (produkt zosieťovania) medzi produktom Amadori a arginínovým zvyškom v akejkoľvek polohe proteínu, tvorí sa z askorbátu, glukózy, fruktózy, ribózy, ktoré sa nachádzajú v mozgových tkanivách pacientov s Alzheimerovou chorobou. v koži a krvnej plazme diabetických pacientov.
Koncové produkty glykácie môžu podporovať oxidáciu voľných radikálov, zmeny náboja na povrchu proteínu, ireverzibilné zosieťovanie medzi rôznymi oblasťami proteínov, ktoré
narúša ich priestorovú štruktúru a fungovanie, robí ich odolnými voči enzymatickej proteolýze. Oxidácia voľnými radikálmi zase môže spôsobiť neenzymatickú proteolýzu alebo fragmentáciu proteínov, peroxidáciu lipidov.
Tvorba konečných produktov glykácie na proteínoch bazálnej membrány (kolagén typu IV, laminín, heparánsulfát proteoglykán) vedie k jej zhrubnutiu, zúženiu lúmenu kapilár a narušeniu ich funkcie. Tieto porušenia extracelulárnej matrice menia štruktúru a funkciu krvných ciev (zníženie elasticity cievnej steny, zmena v reakcii na vazodilatačný účinok oxidu dusnatého), prispievajú k rýchlejšiemu rozvoju aterosklerotického procesu.
Koncové produkty glykácie (AGE) tiež ovplyvňujú expresiu niektorých génov väzbou na špecifické AGE receptory lokalizované na fibroblastoch, T-lymfocytoch, v obličkách (mezangiálne bunky), v cievnej stene (endotel a bunky hladkého svalstva), v mozgu , ako aj v pečeni a slezine, kde sú najhojnejšie, teda v tkanivách bohatých na makrofágy, ktoré sprostredkúvajú prenos tohto signálu zvýšením tvorby voľných kyslíkových radikálov. Tie zas aktivujú transkripciu jadrového faktora NF-kB, ktorý reguluje expresiu mnohých génov, ktoré reagujú na rôzne poškodenia.
Jedným z účinných spôsobov, ako predchádzať nežiaducim následkom neenzymatickej glykozylácie bielkovín, je zníženie obsahu kalórií v potravinách, čo sa prejavuje znížením koncentrácie glukózy v krvi a znížením neenzymatickej väzby glukózy na bielkoviny s dlhou životnosťou, ako je hemoglobín. Zníženie koncentrácie glukózy vedie k zníženiu glykozylácie proteínov aj peroxidácie lipidov. Negatívny účinok glykozylácie je spôsobený tak narušením štruktúry a funkcií, keď je glukóza naviazaná na proteíny s dlhou životnosťou, a následným oxidačným poškodením proteínov spôsobeným voľnými radikálmi vznikajúcimi pri oxidácii cukrov v prítomnosti iónov prechodných kovov. . Nukleotidy a DNA tiež podliehajú neenzymatickej glykozylácii, ktorá vedie k mutáciám v dôsledku priameho poškodenia DNA a inaktivácie opravných systémov, čo spôsobuje zvýšenú krehkosť chromozómov. V súčasnosti sa študujú prístupy na zabránenie účinku glykácie na proteíny s dlhou životnosťou pomocou farmakologických a genetických intervencií.
Ekológia spotreby. Telo nevie absorbovať škroby len tak, preto ich musí nastať obrovské množstvo. chemické reakcie premeniť najzložitejší škrob na jednoduché cukry, vie a dokáže vstrebať len telo.
Telo jednoducho nevie, ako škroby absorbovať, na to musí prebehnúť obrovské množstvo chemických reakcií, aby sa najzložitejší škrob premenil na jednoduché cukry, ktoré vie a dokáže absorbovať iba telo.
Transformácia škrobu v tele je zameraná najmä na uspokojenie potreby cukru. Navyše technológia premeny škrobu na stráviteľné jednoduché cukry je nielen zložitá, pracná a časovo výrazne predĺžená (od 2 do 4 hodín).
Vyžaduje si to kolosálny výdaj energie a biologicky aktívnych látok (vitamíny B, B2, B3, PP, C atď.). Bez dostatočného množstva vitamínov a mikroelementov (a kto z nás ich má dosť?) sa škrob prakticky nevstrebáva: kvasí, hnije, jeduje, upcháva kapilárnu sieť.
Škrob je prakticky nerozpustný v akomkoľvek zo známych rozpúšťadiel. Má len vlastnosť koloidnej rozpustnosti. Štúdium koloidných roztokov škrobu ukázalo, že jeho roztok sa neskladá z jednotlivých molekúl škrobu, ale z primárnych častíc – miciel, vrátane veľkého množstva molekúl.
Škrob obsahuje dve frakcie polysacharidov:
- amylázy
- amylopektín
diametrálne odlišné vlastnosti.
Amylázy v škrobe 15-25%.
Rozpúšťa sa v horúcej vode (80°C) a vytvára číry koloidný roztok.
Amylopektín tvorí 75-85% škrobového zrna.
Teda pri vystavení škrobu horúca voda vzniká roztok amylázy, ktorý je vysoko kondenzovaný s napučaným amylopektínom.
Výsledná hustá viskózna hmota sa nazýva pasta. Rovnaká pasta sa tvorí v gastrointestinálnom trakte. A čím jemnejšie je pomletá múka, z ktorej sa nám pečie chlieb, cestoviny atď., tým lepšie táto pasta lepí!
Zlepuje sa, upcháva sacie mikroklky dvanástnik a nižšie ležiace úseky tenkého čreva, ktoré ich vypínajú z trávenia, najskôr čiastočne, potom takmer úplne.
V tom spočíva dôvod zlého vstrebávania vitamínov a mikroelementov. Nedostatočné vstrebávanie jódu (škrob ho robí takmer nestráviteľným) vedie k mnohým ochoreniam (až k rakovine), no najšpecifickejším ochorením je hypotyreóza, teda nedostatočná funkcia štítnej žľazy. A dôvod je stále rovnaký - "zatápanie" škrobmi (a inými troskami) spojivového tkaniva, rast samotnej štítnej žľazy.
V hrubom čreve sa táto hmota dehydrovaného škrobu prilepí na steny hrubého čreva a vytvorí fekálne kamene. Tieto dlhodobé usadeniny doslova vypínajú prácu (predovšetkým zásobovanie krvou) týchto orgánov
ktorý poskytuje živiny špecifickému miestu absorpcie v hrubom čreve.
Kamene blokujú vstrebávanie, preto živiny nevstupujú do tela, najskôr slabne, potom atrofuje a ochorie. Je narušená mikroflóra hrubého čreva, jeho kyslosť, schopnosť produkovať esenciálne aminokyseliny.
PEČENÝ ZEMIAK. Najzákernejší spôsob, ako poškodiť telo.
Glykemický index pečených zemiakov je 95. To je viac ako cukor a med dohromady. To znamená, že pečený zemiak takmer okamžite zvýši obsah cukru na maximum. Nadbytok cukru spúšťa proces „ukladania tuku“. Takto telo reguluje množstvo glukózy.
Po tom, čo človek zažije plnosť nasýtenia v dôsledku nízkeho obsahu kalórií za hodinu a možno aj skôr, opäť zažije pocit hladu. Potom ďalšie a ďalšie. Kolobeh jedenia zemiakov sa stáva nekonečným. V tomto prípade osoba začne spravodlivo priberať na váhe.
Na tomto základe sa rýchle občerstvenie nikdy nevzdá zemiakov, pretože to bude znamenať pokles ziskov.
Vyprážané zemiaky a hranolky. Najťažšia rana do tela.
Počas vyprážania sa zo zemiakov vyparí vlhkosť. Nahrádza ho tuk. Kalorický obsah zemiakov začína stúpať a často prekračuje hranicu 400 (sacharidy). Na pozadí rýchlej stráviteľnosti bude samozrejme všetok tento tuk pod vašou kožou.
Hľuzy ležiace na svetle zelenajú, hromadia sa v nich najsilnejší jed – solanín. Hlavne veľa z toho naklíčených. Solanín vo veľkých dávkach ničí červené krvinky a pôsobí tlmivo na centrálny nervový systém.
Požitie solanínu v tele spôsobuje dehydratáciu, horúčku, kŕče.
Pre oslabený organizmus sa to všetko môže zmeniť na fatálny koniec.
Žiadne tepelné spracovanie nepomôže neutralizovať jed.
Podľa rakúskych vedcov pôsobí solanín nepriaznivo, keď jeho obsah stúpne na 40 miligramov na 100 gramov zemiakov. Na jeseň obsahuje 100 gramov čerstvo vykopaných zemiakov najviac 10 miligramov solanínu.
Na jar to môže byť aj trikrát viac a sústreďuje sa hlavne v zelených oblastiach hľuzy a bližšie k šupke.
Zemiaky je možné konzumovať len MLADÉ, nie staršie ako 2 mesiace
Ako nahradiť zemiaky????
ZEMIAKY JEDNODUCHO NAHRADENÉ KURÁKOU a TOPINAMBUROM. publikovaný
Potravinové sacharidy sa v tráviacom trakte rozkladajú na monoméry pôsobením glykozidáz - enzýmov, ktoré katalyzujú hydrolýzu glykozidových väzieb.
Trávenie škrobu začína už v ústnej dutine: sliny obsahujú enzým amylázu (α-1,4-glykozidáza), ktorý štiepi α-1,4-glykozidové väzby. Keďže potrava nezostáva v ústnej dutine dlho, škrob sa tu trávi len čiastočne. Hlavným miestom trávenia škrobu je tenké črevo, kam amyláza vstupuje z pankreatickej šťavy. Amyláza nehydrolyzuje glykozidickú väzbu v disacharidoch.
Maltóza, laktóza a sacharóza sú hydrolyzované špecifickými glykozidázami - maltázou, laktázou a sacharázou. Tieto enzýmy sa syntetizujú v bunkách čreva. Produkty trávenia uhľohydrátov (glukóza, galaktóza, fruktóza) vstupujú do krvného obehu.
Obr.1 Trávenie uhľohydrátov
Udržiavanie konštantnej koncentrácie glukózy v krvi je výsledkom súčasného výskytu dvoch procesov: vstupu glukózy do krvi z pečene a jej spotreby z krvi tkanivami, kde sa využíva na energetický materiál.
Zvážte syntéza glykogénu.
Glykogén – komplexný sacharidživočíšneho pôvodu, polymér, ktorého monomérom sú α-glukózové zvyšky, ktoré sú vzájomne prepojené 1-4, 1-6 glykozidickými väzbami, ale majú viac rozvetvenú štruktúru ako škrob (až 3000 glukózových zvyškov). Molekulová hmotnosť glykogénu je veľmi veľká - OH sa pohybuje od 1 do 15 miliónov. Purifikovaný glykogén je biely prášok. Je vysoko rozpustný vo vode a môže sa vyzrážať z roztoku alkoholom. S "I" dáva hnedú farbu. V pečeni je vo forme granúl v kombinácii s bunkovými proteínmi. Množstvo glykogénu v pečeni môže dosiahnuť 50-70 g - to je všeobecná rezerva glykogén; tvorí 2 až 8 % hmotnosti pečene. Glykogén sa nachádza aj vo svaloch, kde sa tvorí miestna rezerva, v malom množstve sa nachádza v iných orgánoch a tkanivách, vrátane tukového tkaniva. Glykogén v pečeni je mobilná zásoba uhľohydrátov, 24-hodinový pôst ju úplne vyčerpá. Podľa Whitea a spoluautorov obsahuje kostrové svalstvo približne 2/3 celkového telesného glykogénu (kvôli veľkej hmote svalov je väčšina glykogénu v nich) - až 120 g (u muža s hmotnosťou 70 kg) , ale v kostrovom svalstve je jeho obsah od 0,5 do 1 % hm. Na rozdiel od pečeňového glykogénu sa svalový glykogén nevyčerpáva tak ľahko, keď hladujete, a to ani po dlhú dobu. Mechanizmus syntézy glykogénu v pečeni z glukózy bol teraz objasnený. V pečeňových bunkách je glukóza fosforylovaná za účasti enzýmu hexokináza s tvorbou glukózy-6-P.
Obr.2 Schéma syntézy glykogénu
1. Glukóza + ATP hexokináza Glukóza-6-P + ADP
2. Glukóza-6-P fosfoglukomutáza Glukóza-1-P
(podieľa sa na syntéze)
3. Glukóza-1-P + UTP glukóza-1-P uridyltransferáza UDP-1-glukóza + H 4 P 2 O 7
4. UDP-1-glukóza + glykogén glykogén syntáza Glykogén + UDP
(semienko)
Výsledný UDP môže byť opäť fosforylovaný ATP a celý cyklus transformácií glukózy-1-P sa znova opakuje.
Aktivita enzýmu glykogénsyntázy je regulovaná kovalentnou modifikáciou. Tento enzým môže byť v dvoch formách: glykogénsyntáza I (nezávislá - nezávislá od glukózy-6-P) a glykogénsyntáza D (závislá - závislá od glukózy-6-P).
proteínkináza fosforyluje za účasti ATP (nefosforyluje formu I-enzýmu, konvertuje ju na fosforylovanú formu D-enzýmu, v ktorej sú fosforylované hydroxylové skupiny serínu).
A čítame:
V žalúdočnom trakte ľudí a zvierat sa škrob hydrolyzuje a premieňa na glukózu, ktorú telo absorbuje. Medziprodukty hydrolýzy škrobu sú dextríny.
Škrob ako potravinárska prídavná látka sa používa na zahusťovanie mnohých potravín, výrobu želé, dresingov a omáčok.
Škrob je najhojnejším sacharidom v ľudskej strave a nachádza sa v mnohých základných potravinách. Hlavnými zdrojmi škrobu vo svete sú obilniny: ryža, pšenica, kukurica; rôzna koreňová zelenina vrátane zemiakov, ako aj maniok. Väčšina ostatných škrobových potravín rastie len v určitých klimatických podmienkach, ako sú: raž, jačmeň, pohánka, ovos, proso, žalude, banány, gaštany, cirok, sladké zemiaky, chlebovník, yams, taro, chilim, maranta, araracacha, canna, taro, Kandyk japonský, pueraria lobata, malanga, šťaveľ hľuznatý, perovito krájaná takka, ságo a mnoho druhov strukovín ako šošovica, fazuľa záhradná, fazuľa mungo, hrach na lúskanie, cícer.
Medzi známe jedlá s obsahom škrobu patria: chlieb, palacinky, rezance, cestoviny, cereálie, želé a rôzne lokše vrátane tortilly.
Pre tráviace enzýmy je štiepenie kryštalického škrobu (trieda PK3) trochu ťažké. Surový škrob sa zle trávi v dvanástniku a tenké črevo, a bakteriálny rozklad bude prebiehať najmä v hrubom čreve. Potraviny s veľkým množstvom amylózy sú horšie stráviteľné ako potraviny s amylopektínom. Zároveň aj rezistentný (nestráviteľný) škrob (triedy PK2, PK3, PK4) zohráva svoju fyziologickú úlohu: znižuje hladinu cukru po potravinovej hyperglykémii (zvýšenie koncentrácie glukózy v krvi, dôležité najmä pre pacientov cukrovka), tvorí organické kyseliny - energiu epitelu hrubého čreva, podporuje imunitu črevného traktu, protizápalovú obranu organizmu a iné. Aby sa zvýšila stráviteľnosť škrobu, je tepelne spracovaný. Preto predtým, ako ľudia začali používať oheň - obilniny a iné potraviny s vysokým obsahom škrobu neboli najviac najlepšia cesta získanie energie tela (na rozdiel od bielkovinových potravín).
Želatinizáciu a želatinizáciu škrobu, ako napríklad počas pečenia koláčov, možno znížiť tým, že cukor súťaží o vodu, čo zlepšuje textúru škrobu a zabraňuje lepkavosti.
Všetko sa zdá byť dobré a dokonca úžasné. Ukazuje sa však, že telo dostáva „vysokokalorické palivo“ vo forme škrobu a nadbytok tohto paliva sa začína ukladať vo forme tukov a spolu s nimi ukladá toxíny rozpustné v tukoch namiesto toho, aby sa vysypali. ich. To je uľahčené skutočnosťou, že rozklad škrobu nastáva v ŽALÚDKU a toxíny sú vylučované pečeňou so žlčou! Tie. poškodenie nie je priame a závisí od množstva prichádzajúceho škrobu a energetickej spotreby organizmu. „Všetko je jed, všetko je liek,“ ako hovorieval Paracelsus a mal pravdu.
