На что расщепляется глюкоза в организме
Роспотребнадзор
Роспотребнадзор
Глюкоза – сложные отношения с простым углеводом
Глюкоза – сложные отношения с простым углеводом
Однако неправильные отношения с ним могут обернуться сложностями
Концентрация глюкозы в крови, или, иначе, сахар крови – важный биохимический показатель: его нужно регулярно проверять, чтобы знать, не грозит ли вам сахарный диабет. Сейчас в мире 400 млн людей, страдающих от этого тяжелого хронического заболевания, а к 2030 году, по данным ВОЗ, сахарный диабет станет 7-м в списке самых частых причин смерти.
Зачем организму нужна глюкоза
Глюкоза, или виноградный сахар – самый простой углевод. Она может поступать в организм с пищей, а может вырабатываться в нем в процессе распада более сложных углеводов (сахарозы, крахмала).
Глюкоза обеспечивает клетки энергией, участвует в обменных процессах (например, помогает усваивать белок для строительства мышц), откладывается в печени и мышцах в виде гликогена, который составляет своеобразный неприкосновенный запас организма на случай голода. Особенно необходима глюкоза для функционирования мозга.
Как организм усваивает глюкозу
Во время и после еды глюкоза поступает из пищеварительной системы в кровоток, уровень сахара в крови повышается. Чтобы она попала в клетки, поджелудочная железа выделяет гормон инсулин — именно это вещество делает клетки готовыми к приему глюкозы. По мере того как клетки получают глюкозу, уровень сахара в крови понижается до постоянной нормы.
В этом процессе могут возникать неполадки. Если поджелудочная железа выделает мало инсулина или же клетки нечувствительны к его воздействию, то глюкоза в них не поступает, а остается в крови: клетки остаются голодными, а показатель сахара крови — повышенным. Тогда и возникает грозное заболевание — сахарный диабет: I типа, если его причина — нехватка инсулина, и II типа — если инсулина достаточно, но клетки к нему резистентны.
Источники глюкозы
Основные источники глюкозы – продукты питания, богатые углеводами. Углеводы условно можно разделить на «хорошие» («медленные») и «плохие» (их также иногда называют «пустыми» или «быстрыми»).
Источники «хороших» углеводов: крупы, бобовые, овощи, фрукты, хлеб из ржаной или цельнозерновой муки, макароны из твердых сортов пшеницы — все те продукты, которые помимо углеводов содержат клетчатку, витамины, микроэлементы, растительный белок. Их усвоение организмом происходит постепенно, не приводит к быстрому скачку глюкозы в крови и тем самым не перегружает поджелудочную железу.
«Плохие» углеводы содержатся в выпечке, сладостях, кондитерских изделиях, сладких соках и газировке. Они мгновенно насыщают кровь глюкозой, что заставляет поджелудочную железу выделять слишком много инсулина разом — впоследствии это может стать причиной нечувствительности клеток к нему.
Глюкогенез
При голодании более суток, после тяжелых физических и нервных нагрузок в организме, постоянной низкоуглеводной диеты в организме может запуститься глюкогенез – синтез глюкозы из молочной кислоты (она образуется в мышцах и эритроцитах после тяжелой нагрузки), глицерола (возникает после ферментации жировой ткани), аминокислот (они получаются в результате распада мышечных тканей или поступающих в организм белков). Глюкогенез из аминокислот опасен для здоровья и даже жизни, ведь он может разрушать сердце, гладкую мускулатуру кишечника, кровеносные сосуды.
Чем опасны гипергликемия и гипогликемия
Хроническая нехватка сахара в крови называется гипогликемией. Это состояние опасно для нервных клеток и мозга: недополучая глюкозы, они не могут правильно функционировать, в итоге возможно даже органическое поражение.
При гипергликемии — так называется избыток глюкозы — излишки этого вещества откладываются в тканях, вызывая их повреждения. Особенно страдают от этого сердце, сосуды, почки и глаза.
Профилактика гипер- и гипогликемии
Чтобы сахар крови всегда был в норме, необходимо
поддерживать стабильную нормальную массу тела;
правильно питаться, употребляя достаточное количество овощей, фруктов и зелени;
давать организму достаточный уровень физической нагрузки — например, ходить пешком с шагомером (не менее 8 тысяч шагов в день).
Как нормализовать сахар крови с помощью питания
При гипергликемии необходимо ограничить углеводы. Полностью исключить рекомендуется:
белый хлеб, выпечку, кондитерские изделия
белый рис, манную крупу
А вот овощей и зелени употреблять нужно побольше.
При гипогликемии нужно увеличить потребление белка. Наши друзья — орехи, бобовые, молочные продукты, нежирное мясо и птица, рыба, гречневая крупа.
Глюкоза – самый простой углевод
Глюкоза, или виноградный сахар – самый простой углевод. Она может поступать в организм с пищей, а может вырабатываться в нем в процессе распада более сложных углеводов (сахарозы, крахмала).
Основные источники глюкозы – продукты питания, богатые углеводами. Углеводы условно можно разделить на «хорошие» («медленные») и «плохие» (их также иногда называют «пустыми» или «быстрыми»).
Источники «хороших» углеводов: крупы, бобовые, овощи, фрукты, хлеб из ржаной или цельнозерновой муки, макароны из твердых сортов пшеницы – все те продукты, которые помимо углеводов содержат клетчатку, витамины, микроэлементы, растительный белок. Их усвоение организмом происходит постепенно, не приводит к быстрому скачку глюкозы в крови и тем самым не перегружает поджелудочную железу. «Плохие» углеводы содержатся в выпечке, сладостях, кондитерских изделиях, сладких соках и газировке. Они мгновенно насыщают кровь глюкозой, что заставляет поджелудочную железу выделять слишком много инсулина разом — впоследствии это может стать причиной нечувствительности клеток к нему.
Глюкоза обеспечивает клетки энергией, участвует в обменных процессах (например, помогает усваивать белок для строительства мышц), откладывается в печени и мышцах в виде гликогена, который составляет своеобразный неприкосновенный запас организма на случай голода. Особенно необходима глюкоза для функционирования мозга. Вовремя и после еды глюкоза поступает из пищеварительной системы в кровоток, уровень сахара в крови повышается. Чтобы она попала в клетки, поджелудочная железа выделяет гормон инсулин — именно это вещество делает клетки готовыми к приему глюкозы. По мере того как клетки получают глюкозу, уровень сахара в крови понижается до постоянной нормы.
В этом процессе могут возникать неполадки. Если поджелудочная железа выделяет мало инсулина или же клетки нечувствительны к его воздействию, то глюкоза в них не поступает, а остается в крови: клетки остаются голодными, а показатель сахара в крови — повышенным. Тогда и возникает грозное заболевание — сахарный диабет: I типа, если его причина — нехватка инсулина, и II типа — если инсулина достаточно, но клетки к нему резистентны.
При голодании более суток или после тяжелых физических и нервных нагрузок в организме, или когда человек находится на постоянной низкоуглеводной диете, в организме может запуститься глюкогенез – синтез глюкозы из молочной кислоты (она образуется в мышцах и эритроцитах после тяжелой нагрузки), глицерола (возникает после ферментации жировой ткани), аминокислот (они получаются в результате распада мышечных тканей или поступающих в организм белков). Глюкогенез из аминокислот опасен для здоровья и даже жизни, ведь он может разрушать сердце, гладкую мускулатуру кишечника, кровеносные сосуды.
Хроническая нехватка сахара в крови называется гипогликемией. Это состояние опасно для нервных клеток и мозга: недополучая глюкозы, они не могут правильно функционировать, в итоге возможно даже органическое поражение.
При гипергликемии — так называется избыток глюкозы — излишки этого вещества откладываются в тканях, вызывая их повреждения. Особенно страдают от этого сердце, сосуды, почки и глаза.
Концентрация глюкозы в крови, или, иначе, сахар крови – важный биохимический показатель: его нужно регулярно проверять, чтобы знать, не грозит ли вам сахарный диабет. Сейчас в мире 400 млн людей, страдающих от этого тяжелого хронического заболевания, а к 2030 году, по данным ВОЗ, сахарный диабет станет 7-м в списке самых частых причин смерти.
Профилактика гипер- и гипогликемии
Чтобы сахар крови всегда был в норме, необходимо:
— поддерживать стабильную нормальную массу тела
— правильно питаться, употребляя достаточное количество овощей, фруктов и зелени давать организму достаточный уровень физической нагрузки – например, ходить пешком с шагомером (не менее 8 тысяч шагов в день).
Как нормализовать сахар крови с помощью питания
При гипергликемии необходимо ограничить углеводы. Полностью исключить рекомендуется: сахар, сладкие напитки, белый хлеб, выпечку, кондитерские изделия, картофель, белый рис, манную крупу, вино. А вот овощей и зелени употреблять нужно побольше. При гипогликемии нужно увеличить потребление белка. Наши друзья — орехи, бобовые, молочные продукты, нежирное мясо и птица, рыба, гречневая крупа.
На что расщепляется глюкоза в организме
Все биологические процессы, происходящие в окружающем мире, по своей сути являются химическими реакциями. Первую химическую реакцию человек осуществил, когда разжег костер – это реакция горения. Первое антибактериальное применение продуктов брожения и величайшее открытие в области медицины совершил Нострадамус. Большинство из нас знает его как предсказателя, но его основная заслуга состоит в том, что он нашел способ борьбы с чумой с помощью уксусной кислоты. История свидетельствует, чума лишила Нострадамуса и первой семьи, и друзей. С тех пор он искал средство борьбы от страшной болезни. Найдя чудо-лекарство, исследователь переезжал из города в город, где появлялась чума, спасая множество жизней [1].
Первым биохимиком была клетка, которая научилась энергетическому обмену: научилась поглощать свет и выделять энергию, необходимую для жизнеобеспечения. Таким образом, первый биохимик – это и есть сама жизнь. Все процессы, которые протекают в клетках живого организма, – это биохимические реакции.
Название «углеводы» появилось из-за того, что многие представители данного класса имеют общую формулу: Сn(Н2О)m, где n и m >= 4. Известно множество углеводов, не соответствующих этой формуле, но несмотря на это термин «углеводы» употребляется и по сей день. Другое общепринятое название этого класса соединений – сахара.
Все углеводы можно разделить на четыре больших класса.
Моносахариды – это гетерофункциональные соединения, содержащие оксогруппу и несколько гидроксильных групп. Они не могут быть гидролизованы до более простых форм углеводов и являются структурной единицей любых углеводов, например, глюкоза, фруктоза, рибулоза, рамноза. Содержатся в различных продуктах: фрукты, мёд, некоторые виды вина, шоколад.
Олигосахариды – это соединения, построенные из нескольких остатков моносахаридов, связанных между собой гликозидной связью. Они делятся по числу моносахаридов в молекуле на дисахариды, трисахариды и т.д. К биологически активным производным олигосахаридов относятся некоторые антибиотики, сердечные гликозиды.
Дисахариды – это углеводы, которые при гидролизе дают две одинаковые или различные молекулы моносахарида и связаны между собой гликозидной связью, например, лактоза, сахароза, мальтоза. При гидролизе из дисахаридов образуется глюкоза.
Полисахариды – имеют общий принцип строения с олигосахаридами, за исключением моносахаридных остатков – полисахариды могут содержать их сотни и даже тысячи. Примеры: крахмал, гликоген, хитин, целлюлоза [2].
Для лучшего понимания реакций расщепления углеводов в организме, рассмотрим более подробно глюкозу, участвующую в этих процессах.
Глюкоза является одним из самых распространенных углеводов в природе, моносахарид, или гексоза С6Н12О6. Второе её название – виноградный сахар. Это растворимое в воде вещество белого цвета, сладкое на вкус. В молекуле глюкозы имеется четыре неравноценных асимметрических атома углерода (рис. 1):
Рис. 1. Строение молекулы глюкозы
Для такого соединения возможно 24 = 16 стереоизомеров, которые образуют 8 пар зеркальных оптических антиподов. Каждое из восьми соединений представляет собой диастереомер (диа – двойной) с присущими только ему физическими свойствами (растворимость, температура плавления и т.д.).
Глюкоза содержится в растительных и живых организмах. Велико ее содержание в виноградном соке, в меде, фруктах и ягодах, в семенах, листьях крапивы. Глюкоза повышает работоспособность мозга, благотворно влияет на нервную систему человека. Именно поэтому в стрессовых ситуациях люди иногда хотят чего-нибудь сладкого. Помимо этого, глюкоза применяется в медицине для приготовления лечебных препаратов, консервирования крови, внутривенного вливания и т.д. Она широко применяется в кондитерском производстве, производстве зеркал и игрушек (серебрение). Ее используют при окраске тканей и кож.
Биохимические реакции расщепления углеводов в организме человека
Для поддержания жизнедеятельности организма используется энергия, скрытая в химических связях продуктов питания. Во многих продуктах питания содержится значительное количество углеводов в виде полисахаридов (сахар, крахмал, клетчатка) и моноз (глюкоза, фруктоза, лактоза и др.). К примеру, в картофеле содержание крахмала составляет до 16 %, в рисе – 78 %, а в белом хлебе – 51 %.
Уже во рту человека начинается процесс расщепления углеводов. Происходит гидролиз крахмала под действием биологического катализатора – фермента амилазы, который содержится в пище. Под действием амилазы молекула крахмала расщепляется на довольно короткие цепочки, которые состоят из глюкозных звеньев. После этого углеводы попадают в желудок. Далее под действием желудочного сока заканчивается кислотный гидролиз крахмала. Крахмал распадается до отдельных глюкозных звеньев. Глюкоза попадает в кишечник и через стенки кишок поступает в кровь, разносящую её по всему человеческому организму.
Содержание глюкозы в крови поддерживается на постоянном уровне при помощи гормона инсулина, который выделяется поджелудочной железой. Инсулин полимеризует избыточную глюкозу в животный крахмал – гликоген, который откладывается в печени. Часть гликогена в печени может гидролизоваться в глюкозу, далее поступающую обратно в кровь. Это происходит при понижении содержания глюкозы в крови. Если поджелудочная железа не может вырабатывать инсулин, содержание глюкозы в крови повышается, что приводит к диабету. Именно поэтому людям, болеющим сахарным диабетом, необходимо регулярно вводить в кровь инсулин.
Молекула глюкозы, попадая в клетку организма, окисляется, «сгорает» с образованием воды и диоксида углерода. При этом выделяется энергия, необходимая организму для движения, согревания, осуществления различных физических нагрузок и т.д. Но биологическое окисление глюкозы похоже на обычное горение лишь по своим конечным результатам. Биологическое окисление – процесс медленный, многоступенчатый. Только малая часть высвобождаемой при окислении энергии превращается на каждой стадии данного процесса в тепло. Значительная доля энергии, заключенной в химических связях глюкозы, расходуется на образование других веществ, из которых важнейшее в биоэнергетике – аденозинтрифосфорная кислота C10H16N5O13P3 (АТФ). Это соединение состоит из трех частей – гетероцикла аденина, рибозы (сахара) и трех остатков фосфорной кислоты, образующей с рибозой сложный эфир (рис.2).
Рис. 2. Структура аденозинтрифосфорной кислоты
АТФ в клетках – универсальная энергетическая валюта. Множество ферментов умеют вести химические реакции, осуществляющиеся с затратой энергии, за счет гидролитического отщепления одного или двух остатков фосфорной кислоты от молекулы АТФ (этот процесс сопровождается выделением энергии), или наоборот, умеют использовать энергию, которая высвобождается в реакциях с выделением энергии для того, чтобы АТФ образовалась. Расщепляя АТФ, клетка использует высвобождаемую энергию на биосинтез различных соединений, а окисляя углеводы – синтезирует АТФ.
Первая стадия «сгорания» глюкозы в клетке – взаимодействие глюкозы с АТФ (рис. 3). При этом АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфат C10H15N5O10P2), а глюкоза – в 6-фосфат. Этот процесс фосфорилирования происходит под действием фермента гексокиназы за счет перенос остатка фосфорной кислоты (H3PO4) от фосфорилирующего агента – донора к субстрату:
Рис. 3. Взаимодействие глюкозы с АТФ
Следующий этап окисления – «рокировка» глюкозофосфата во фруктозофосфат, который происходит под действием фермента изомеразы (рис.4). Рокировка типа глюкоза–фруктоза делает доступным для фосфорилирования еще один гидроксил сахара (т.к. взаимодействовать с АТФ могут только краевые гидроксилы):
Рис. 4. Взаимодействие глюкозо-6-фосфата и фермента изомеразы
После второго фосфорилирования уже под действием другого фермента – фосфорфруктокиназы – получается в итоге фруктозо-1,6-дифосфат (C6H14O12P2 ) (рис.5):
Рис. 5. Взаимодействие фруктозо-6-фосфата и 6-фосфоруктокиназы
Фруктозо-1,6-дифосфат распадается на две части. Получается дигидроксиацетонфосфат ( C3H7O6P ) и глицеральдегид-3-фосфат ( C3H7O6P) (рис. 6).
Рис. 6. Распад Фруктозо-1,6-дифосфата
Клетке нужен только второй продукт, и она с помощью фермента изомеразы превращает первый фосфат во второй (чтобы не было отходов производства) (рис. 7).
Рис. 7. Превращение диоксиацетон-фосфата в глицеральдегид-3-фосфат
На данной стадии в реакцию вступают два соединения: глутатион – соединение, несущее меркаптогруппу SН и никотинамидаденинуклеотид (НАД). НАД легко присоединяет водород: НАД-Н2.
Далее развивается процесс, мало изученный в деталях, но описать его можно пока следующим образом. Под действием НАД и его восстановленной формы, фермента дегидрогеназы и фосфорной кислоты, глицеральдегид-3-фосфат превращается в смешанный ангидрид 3-фосфоглицериновой и фосфорной кислот (рис. 8).
Рис. 8. Превращение глицеральдегид-3-фосфата в смешанный ангидрид 3-фосфоглицериновой и фосфорной кислот
Всё это время энергия только поглощалась, так как АТФ переходил в АДФ. Теперь в реакции будет вступать АДФ, а в продуктах появится АТФ, и энергия будет выделяться. Так, под действием АДФ и фермента фосфоглицераткиназы образуется 3-фосфоглицериновая кислота (рис. 9).
Рис. 9. Образование 3-фосфоглицерата
В ней фермент фосфоглицеромутаза вызывает «рокировку» фосфатной группы в положение 2 (рис. 10).
Рис. 10. Превращение 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат
На полученный продукт воздействует фермент енолаза и АДФ – получается пировиноградная кислота (рис. 11, 12).
Рис. 11. Дегидратация 2-фосфоглицерата
Рис. 12. Перенос фосфорильной группы с фосфоенолпирувата на АДФ. Образование пирувата
Процесс превращения глюкозы в пировиноградную кислоту в клетке называется гликолизом [3]. В результате гликолиза клетка получает из одной молекулы глюкозы восемь молекул АТФ и две молекулы пировиноградной кислоты. Превращение глюкозы в пировиноградную кислоту является первой стадией, общей для нескольких процессов. То же самое происходит под действием дрожжей на раствор сахара. Но реакция не закачивается получением пировиноградной кислоты. От этой кислоты отщепляется (под действием фермента декарбоксилазы) молекула диоксида углерода и образуется уксусный альдегид, который, в свою очередь, атакуется ферментом дегидрогеназой и НАД-Н2. В результате при отсутствии кислорода получается этиловый спирт.
На самом деле уравнение этого сложного процесса выглядит довольно просто:
С6Н12О6 à 2С2Н5ОН + 2СО2
Это и есть процесс брожения. В мышцах НАД-Н2 восстанавливает пировиноградную кислоту в молочную. Это происходит при большой нагрузке, когда кровь не успевает подводить кислород в нужном количестве. Поэтому у спортсменов, пробежавших дистанцию, резко увеличивается в крови количество молочной кислоты [4].
Ферменты – это биологические катализаторы, имеющие белковую природу, помогающие ускорить химические реакции как в живых организмах, так и вне их. Ферменты обладают высокой каталитической активностью. К примеру, чтобы расщепить молекулу полиуглевода (крахмал, целлюлозу) или какой – либо белок на составные части, их нужно несколько часов кипятить с крепкими растворами щелочей либо кислот. А ферменты пищеварительных соков (пепсин, протеаза, амилаза) способны гидролизовать эти вещества буквально за несколько секунд при температуре 37 °С. Помимо этого, ферменты обладают избирательностью своего действия в отношении структуры субстрата, условий проведения реакции и её типа (фермент превращает только данный тип субстратов в определенных реакциях и условиях). Ферменты катализируют огромное количество реакций, протекающих в живой клетке при размножении, дыхании, обмене веществ и т.д. [5].
В современном понимании биохимическое расщепление углеводов – это метаболический процесс, при котором регенерируется АТФ, а продукты расщепления органического субстрата могут служить одновременно и донорами, и акцепторами водорода. Огромную роль в биохимических процессах играют микроорганизмы, ферменты и катализаторы. Считается, что анаэробный гликолиз (расщепление углеводов) был первым источником энергии для общих предков всех живых организмов до того, как концентрация кислорода в атмосфере стала достаточно высокой, и поэтому эта форма генерации энергии в клетках – более древняя. За очень редкими исключениями она существует и у всех ныне живущих клеток.
В настоящее время ученые считают, что все реакции биохимического расщепления углеводов на начальной стадии имеют общую схему вплоть до образования пировиноградной кислоты. Затем, в зависимости от условий и качества ферментов, из пировиноградной кислоты образуются конечные продукты реакции: спирты, кислоты (уксусная, лимонная, молочная, яблочная, масляная и т.д.), альдегиды, углекислый газ, водород, вода и пр.
Изучение биохимических реакций расщепления углеводов в организме человека и анализ использованных источников позволили сделать следующие выводы:
1. В общем виде схему механизма расщепления углеводов можно представить следующим образом: сложный углевод (дисахарид, полисахарид) à глюкоза à эфиры фосфорных кислот à глицериновый альдегид à глицериновая кислота à пировиноградная кислота à далее возможны любые упомянутые выше направления.
2. Биохимические реакции углеводов лежат в основе жизнедеятельности клеток живых организмов, в том числе и человека.
3. Биохимические процессы расщепления углеводов, которые изображаются простыми, на первый взгляд, уравнениями начальных и конечных продуктов, на самом деле представляют собой сложные и многоступенчатые процессы.
4. Для осуществления биохимических процессов необходимы ферменты и катализаторы, которые ускоряют реакции расщепления углеводов в тысячи раз.
Изучая сложнейшие процессы, происходящие в живой клетке, ученые задумываются: а нельзя ли, научившись у природы, провести в колбах и ретортах искусственные химические процессы, копирующие биохимические реакции? Начатые по инициативе академика Н.Н. Семенова, такие исследования в области «химической бионики» успешно ведутся в России и во всем мире [6].
Сахар, стресс и окислительная модификация белков организма
В настоящее время признано, что окислительное повреждение различных макромолекул, составляющих структурную основу всех живых организмов (нуклеиновых кислот, белков, липидов) – это основное проявление т.н. окислительного стресса. Последний понимается как нарушение обмена веществ и энергии, накопление активных повреждающих агентов (свободных радикалов, прооксидантов и т.п.), инициирующих повреждение живых организмов на различных уровнях их организации (начиная, в первую очередь, с молекулярного) и ведущих, тем самым, к развитию различных патологических состояний. Окислительное повреждение ДНК и липидов к настоящему времени хорошо изучено, а следствия их повреждения хорошо поняты. В то же время окислительная модификация белков представляется не столь важной и значимой, и, по этой причине, гораздо менее изученной (особенно в аспекте анализа связи их окисления и функциональным состоянием организма, как-то: старение, гипероксия и гипоксия, повышение температуры, а также разного рода патологии). К настоящему времени уже достаточно четко и объемно сформировано представление об окислительной деструкции протеинов как о раннем и наиболее надежном индикаторе окислительного стресса. Поскольку белки присутствуют во всех тканях и органах, именно их модификация может выступать надежным индикатором патологических процессов как на местном (локальном), так и общеорганизменном уровне. Поскольку белки выполняют специфические функции (зачастую имеющие ясно видимое и легко фиксируемое проявление), оценка качественных и количественных аспектов окислительной модификации белков имеет ряд преимуществ. Показано, что при широком спектре патологий самой разнообразной этиологии именно окислительная модификация именно протеинов (а не липидов и нуклеиновых кислот) является одним из самых ранних и надежных маркеров их наличия и даже еще только возникновения. Кроме того, установлено, что окислительно модифицированные протеины могут находиться в живых организмах более-менее длительное время (часы, дни и даже годы (например, липофусцин)), в то время как первичные интермедиаты окислительного стресса (свободные радикалы, продукты ПОЛ) существуют в свободном состоянии гораздо менее продолжительно (обычно несколько минут, максимум несколько часов). Это обстоятельство также позволяет рассматривать феномен окислительной модификации протеинов в живых организмах в качестве относительно стабильных диагностических параметров их структурно-функционального состояния, что имеет большое значение в клинической практике. Вышеизложенное, таким образом, свидетельствует о важности места окислительной протеиновой модификации в генезе многих патологических состояний, связанных, в первую очередь, со свободно-радикальными повреждениями. В настоящее время несомненной представляется взаимосвязь между уровнем продуктов окисления белков и широким рядом функциональных состояний организмов. Так, старение, гипер- и гипоксия, повышение температуры, патологические состояния (в первую очередь, сердечно-сосудистые заболевания, ишемия/реперфузия, диабеты, нейродегенеративные состояния) четко связаны с увеличенным уровнем окислительно модифицированных белков. Однозначно утверждать, что именно модификация белков служит первопричиной отмеченных изменений сложно (точнее, что только модификация белков), но во многих случаях для этого все-таки существуют серьезные основания. Имеется достаточно примеров, когда снижение степени окисленности белков коррелировало с улучшением состояния организма. Поэтому считается, что уровень окисленных белков (и качественный характер такой окисленности) по меньшей мере может служить маркером названных изменений и, тем самым, быть полезным в деле разработки защитных мероприятий, иметь прогностическое значение при заболеваниях, использоваться для профилактики и оценки правильности и эффективности лечения.
Углеводы – важная составная часть диеты. В организме человека углеводы играют роль, которую трудно переоценить. Моносахарид глюкоза – жизненно важный углевод, необходимый для быстрого восполнения энергетических потребностей тканей, особенно головного мозга (который, кстати, потребляет до 25 % энергии, поступающей в наш организм). Такие энергетические процессы клетки, как гликолиз и митохондриальное дыхание, в результате которых образуется «энергетическая валюта» клетки – АТФ, – в большой степени зависят от доступности глюкозы. По этой причине в норме уровень глюкозы в крови строго регулируется под действием гормона инсулина. Помимо сгорания в клетке, обмен глюкозы включает в себя превращения животного крахмала – гликогена. Глюкоза может запасаться в организме в виде гликогена (обыкновенно это происходит в течение 1–2 часов после еды), либо мобилизоваться путем постепенного расщепления этого полимера и поступления в кровь (в те моменты, когда пища не поступает). Запасы гликогена сосредоточены в печени и мышцах.
Глюкоза широко используется в важных физиологических реакциях нашего тела. Однако ее обилие делает возможной побочную химическую реакцию с белками, нарушающую их функцию. Реакция глюкозы с белками называется гликированием или неферментативным гликозилированием и представляет собой необратимое взаимодействие сахара с аминогруппами лизина и аспарагина в составе белков с образованием конечных продуктов гликирования (КПГ), перекрестных сшивок внутри белковой молекулы и между разными белками.
Результат гликирования мы можем легко наблюдать в повседневной жизни в виде коричневой корочки поджаренных продуктов. При высокой температуре белок, содержащийся в любом продукте, связывается с глюкозой, которая всегда есть в любой ткани. Точно такие же процессы «поджаривания», только более медленно, происходят с возрастом при температуре нашего тела. К сожалению, процесс этот весьма разрушительный, так как белки нашего тела могут успешно выполнять свои функции только в том случае, если имеют неповрежденную структуру. Особенно опасны и часты КПГ в почечных клубочках, сетчатке глаза и важных кровеносных сосудах, таких, как коронарные артерии, поставляющие кровь к сердцу («120 лет жизни – только начало : Как победить старение? / Алексей Москалев»: Эксмо; Москва; 2014).
Продукты конечного гликирования (КПГ) образуются в живых организмах в результате неэнзиматических реакций углеводов (преимущественно моносахаридов) с белками (т.н. гликирование или неферментативное гликозилирование). Эти реакции представляют собой необратимое взаимодействие сахаров с аминогруппами (в первую очередь лизина и аспарагина) в составе белков с образованием КПГ, внутри- и межмолекулярных сшивок внутри белковых молекул. Результат гликирования можно легко наблюдать в повседневной жизни в виде коричневой корочки поджаренных продуктов. При высокой температуре белок, содержащийся в любом продукте, связывается с глюкозой, которая всегда есть в любой ткани. Точно такие же процессы «поджаривания», только очень медленно протекающие, происходят, в частности, по мере старения, при физиологически нормальной температуре тела человека. К сожалению, процесс этот весьма разрушительный, так как белки могут успешно выполнять свои функции только в том случае, если имеют неповрежденную структуру. Особенно опасны и часты КПГ в почечных клубочках, сетчатке глаза и важных кровеносных сосудах, таких, как коронарные артерии, поставляющие кровь к сердцу. Несмотря на то, что глюкоза в меньшей степени, чем другие углеводы (например, фруктоза и галактоза), повреждает белки в процессе гликирования, она тоже способна спонтанно переходить в форму, гликозилирующую белки. На циклическую глюкопиранозную форму глюкозы, в существующем при физиологических условиях равновесии, приходится 99,999%. И лишь крайне малая часть глюкозы представлена линейной карбонильной формой, которая и способна гликировать белки, поскольку способна спонтанно образовывать основания Шиффа с аминогруппами последних. На самом же деле из всех гексоз именно у глюкозы равновесие между циклической и карбонильной формами более всего сдвинуто в сторону циклизации. В целом гликирующая способность углеводов растёт (и значительно!) по мере снижения способности к эндоциклизации. А такая способность тем ниже, чем короче углеродный скелет молекул сахаров. Также гликирующая активность в значительной степени зависит от наличия/отсуствия фосфорилирования гидроксильного конца углевода. Исходя из этого, несложно сделать вывод о том, что наиболее активными гликирующими агентами будут являться все интермедиаты пентозофосфатного цикла и гликолиза (так, для гликолиза можно построить следующий ряд метаболитов в порядке увеличения их гликирующей активности: глюкоза, глюкозо-6-фосфат, фруктозо-6-фосфат, глицеральдегид-3-фосфат и диоксиацетонфосфат). При расщеплении глюкозы в процессе гликолиза в цитоплазме клетки также появляются промежуточные соединения (метилглиоксаль), которые в присутствии ионов меди Cu2+ гликируют белки. Конечные продукты гликирования (КПГ), связываясь с особыми рецепторами на поверхности клеток (КПГР), вызывают воспалительные реакции. Гликированные белки устраняются медленно, что на фоне общего снижения синтеза новых молекул белков вызывает серьезные проблемы со здоровьем. Гликирование вызывает атеросклероз, диабет 2-го типа, катаракту, почечную недостаточность, старческие морщины. В свою очередь, развитие сахарного диабета приводит к высокому уровню сахара в крови и тканевой жидкости и еще большему накоплению КПГ, которые являются основной причиной диабетических осложнений. Уровень гликирования не только определяет скорость старения, но и часто свидетельствует о развитии сахарного диабета. Поэтому существуют различные клинические способы выявлять и отслеживать уровень гликирования в организме. В частности, это измерение уровня автофлуоресценции кожи и количества гликированного гемоглобина (HbA1C) в крови. Вероятнее всего, в будущем этот показатель, как и некоторые другие (в частности, продукты Амадори и КПГ) войдет в число биомаркеров старения (а также диагностических маркеров различных заболеваний, включая сахарный диабет).
Как уже упомянуто, другие моносахара, обладают еще большей способностью к образованию конечных продуктов гликирования, развитию диабета и атеросклероза – таковы содержащаяся в соке фруктов и меде фруктоза и получаемая с цельным молоком галактоза. Общемировое потребление фруктозы за последние 30 лет выросло на 25 %. Фруктозу стали повсеместно добавлять в продукцию пищевой промышленности, поскольку она намного слаще глюкозы и сахарозы, и в то же время она не требует инсулина для регуляции своего уровня в крови. Фруктозу активно используют как подсластитель взамен сахарозы при диабете. Она распространена в таких естественных продуктах питания, как фрукты, ягоды и мед. Наравне с глюкозой фруктоза входит в состав сахарозы. В качестве мономера фруктоза составляет полисахарид инулин – крахмалоподобное запасное вещество клубней топинамбура, корневищ цикория и одуванчика. К сожалению, фруктоза в десять раз более активно гликозилирует белки, что приводит к ускоренному старению организма. Но это не единственный её недостаток.
В отличие от глюкозы, фруктоза не является необходимым компонентом пищи человека. Медленно всасываясь в кровь, она затем поступает в печень, где в процессе липогенеза превращается в жир, который откладывается, способствуя ожирению. Чрезмерное потребление фруктозы, как, собственно, и обилие насыщенных жирных кислот, вызывает образование атерогенных липопротеинов очень низкой плотности, приводя к сердечно-сосудистым патологиям.
Известно, что перекисное окисление липидов (ПОЛ) усиливает гликирование белков. С другой стороны, неферментативный метаболизм глюкозы сопровождается образованием супероксидного радикала, являющегося одним из важнейших индукторов ПОЛ. Т.о. углеводный обмен (как и его стресс- и патоиндуцированные нарушения, например, метаболический синдром) и липидный обмен (равно как и его стресс- и патоиндуцированные нарушения) являются взаимосвязанными и в рассматриваемом аспекте. Тот факт, что ПОЛ активируется едва ли не при всех патологических и стрессиндуцированных процессах и может вносить существенный вклад в их развитие, породил крайне большое обилие литературы, по большей части основанной на исследованиях, где для определения ПОЛ in vivo применялись относительно простые, но и относительно не специфические методы (реакция с тиобарбитуровой кислотой и поглощение в глубокой – 230-270 нм – УФ области электромагнитного спектра, обусловленное диеновыми коньюгатами и гидроперекисями липидов), которые определяют сумму продуктов, образуемых из липидов как неферментативными, так и ферментативными (циклооксигеназный, липоксигеназный, эпоксигеназный) путями. Продукты ПОЛ являются очень активными гликирующими агентами, поскольку, в подавляющем большинстве, содержат в своём составе карбонильные группы, позволяющие им образовывать Шиффовы основания с аминогруппами. Отличительной особенностью большинства продуктов ПОЛ является высокая химическая активность, в силу чего они очень быстро неспецифично реагируют с любыми нуклеофильными группами (амино- и сульфгидрильные группы, имидазол гистидина и пр.) по механизму присоединения Михаэля с образованием оснований Шиффа. В силу этого в свободном виде такие соединения (в частности, акролеин, ацетальдегид, кротоновый альдегид, 4-гидрокси-2-ноненаль) не обнаруживаются, а регистрируются только в виде Шиффовых оснований, в частности, в составе белков (protein Schiff base), собственно и представляя собой КПГ (образующиеся из т.н. продуктов Амадори в результате одноимённой перегруппировки).
Лаборатория эндокринологии и биохимии обладает необходимым оборудованием и реактивами, что позволяет проводить на её базе полноценные исследования в области окислительного повреждения белков и других макромолекулярных компонентов, составляющих структурно-функциональную основу живых организмов.В качестве объекта исследования может выступать разнообразный перечень биологических образцов (сыворотка и плазма крови, лимфа, тканевая жидкость, слюна, тканевые биоптаты и др.).
Козлов Александр Евгеньевич
© Александр Козлов, младший научный сотрудник лаборатории эндокринологии и биохимии