Jak przebiega trawienie w jamie ustnej? Uwaga! Glukoza wnika do komórek różnych narządów różnymi mechanizmami.

W jelicie wchłaniane są tylko cukry proste: glukoza, galaktoza, fruktoza. Dlatego oligo- i polisacharydy, które dostają się do organizmu wraz z pożywieniem, muszą być hydrolizowane przez układy enzymatyczne do postaci monosacharydów. Na ryc. 5.11 schematycznie przedstawia lokalizację układów enzymatycznych biorących udział w trawieniu węglowodanów, która rozpoczyna się w Jama ustna z działania doustnej -amylazy, a następnie kontynuuje się w różnych częściach jelita za pomocą -amylazy trzustkowej, sacharazy-izomaltazy, glikoamylazy, -glikozydazy (laktazy), trehalazy.

Ryż. 5.11. Schemat lokalizacji enzymatycznych układów trawienia węglowodanów

5.2.1. Trawienie węglowodanów przez usta i trzustkę -amylaza ( -1,4-glikozydaza). Polisacharydy dietetyczne, czyli skrobia (składa się z liniowego polisacharydu amylozy, w którym reszty glukozylowe są połączone wiązaniami -1,4-glikozydowymi oraz amylopektyny, polisacharydu rozgałęzionego, w którym występują również wiązania -1,6-glikozydowe) , zaczynają hydrolizować już w jamie ustnej po zwilżeniu śliną zawierającą enzym hydrolityczny -amylazę (-1,4-glikozydazę) (EC 3.2.1.1), który rozrywa wiązania 1,4-glikozydowe w skrobi, ale nie działa na wiązaniach 1,6-glikozydowych.

Ponadto czas kontaktu enzymu ze skrobią w jamie ustnej jest krótki, przez co skrobia jest częściowo trawiona, tworząc duże fragmenty – dekstryny i trochę disacharydu maltozy. Disacharydy nie są hydrolizowane przez amylazę ślinową.

Wchodząc do żołądka w środowisku kwaśnym, amylaza ślinowa zostaje zahamowana, proces trawienia może zachodzić tylko w śpiączce pokarmowej, gdzie aktywność amylazy może utrzymywać się przez pewien czas, aż pH w całym kawałku stanie się kwaśne. W soku żołądkowym nie ma enzymów rozkładających węglowodany, możliwa jest jedynie niewielka hydroliza kwasowa wiązań glikozydowych.

Głównym miejscem hydrolizy oligo- i polisacharydów jest jelito cienkie, z którego w różnych częściach wydzielane są określone glikozydazy.

W dwunastnicy zawartość żołądka jest neutralizowana przez wydzielinę trzustkową zawierającą wodorowęglany HCO 3 - o pH 7,5-8,0. W tajemnicy trzustki znajduje się amylaza trzustkowa, która hydrolizuje wiązania -1,4-glikozydowe w skrobi i dekstrynach z utworzeniem disacharydów maltozy (w tym węglowodanie dwie reszty glukozy są połączone wiązaniami -1,4-glikozydowymi). wiązania) i izomaltoza (w tym węglowodanie dwie reszty glukozy zlokalizowane w miejscach rozgałęzień w cząsteczce skrobi i połączone wiązaniami α-1,6-glikozydowymi). Tworzą się także oligosacharydy zawierające 8–10 reszt glukozy połączonych wiązaniami -1,4-glikozydowymi i -1,6-glikozydowymi.

Obie amylazy są endoglikozydazami. Amylaza trzustkowa nie hydrolizuje również wiązań -1,6-glikozydowych w skrobi i wiązań -1,4-glikozydowych, którymi reszty glukozy są połączone w cząsteczce celulozy.

Celuloza przechodzi przez jelita w niezmienionej postaci i służy jako substancja balastowa, dodająca objętości pokarmu i ułatwiająca proces trawienia. W jelicie grubym pod wpływem mikroflory bakteryjnej celuloza może ulegać częściowej hydrolizie z wytworzeniem alkoholi, kwasów organicznych i CO 2 , które mogą działać jako stymulanty motoryki jelit.

Cukry maltoza, izomaltoza i trioza powstające w jelicie górnym są dalej hydrolizowane w jelicie cienkim przez specyficzne glikozydazy. Disacharydy dietetyczne, sacharoza i laktoza, są również hydrolizowane przez specyficzne disacharydazy w jelicie cienkim.

W świetle jelita aktywność oligo- i disacharydaz jest niska, ale większość enzymów jest związana z powierzchnią komórek nabłonkowych, które w jelicie znajdują się na palcowatych wyrostkach - kosmkach i z kolei są pokryte mikrokosmków, wszystkie te komórki tworzą rąbek szczoteczkowy, który zwiększa powierzchnię kontaktu enzymów hydrolitycznych z ich substratami.

Rozszczepiając wiązania glikozydowe w disacharydach, enzymy (disacharydazy) grupują się w kompleksy enzymatyczne zlokalizowane na zewnętrznej powierzchni błony cytoplazmatycznej enterocytów: sacharaza-izomaltaza, glikoamylaza, -glikozydaza.

5.2.2. Kompleks sacharaza-izomaltaza. Kompleks ten składa się z dwóch łańcuchów polipeptydowych i jest przyłączony do powierzchni enterocytu za pomocą transbłonowej domeny hydrofobowej zlokalizowanej w N-końcowej części polipeptydu. Kompleks sacharaza-izomaltaza (EC 3.2.1.48 i 3.2.1.10) rozszczepia wiązania -1,2- i -1,6-glikozydowe w sacharozie i izomaltozie.

Oba enzymy kompleksu są również zdolne do hydrolizowania wiązań α-1,4-glikozydowych w maltozie i maltotriozie (trisacharyd zawierający trzy reszty glukozy i powstający podczas hydrolizy skrobi).

Chociaż kompleks wykazuje dość wysoką aktywność maltazy, hydrolizując 80% maltozy powstałej podczas trawienia oligo- i polisacharydów, to jego główną specyficznością jest nadal hydroliza sacharozy i izomaltozy, przy czym szybkość hydrolizy wiązań glikozydowych jest większa niż szybkość hydrolizy wiązań w maltozie i maltotriozie. Podjednostka sacharozy jest jedynym enzymem jelitowym, który hydrolizuje sacharozę. Kompleks zlokalizowany jest głównie w jelicie czczym, w proksymalnej i dystalnej części jelita zawartość kompleksu sacharaza-izomaltaza jest niewielka.

5.2.3. kompleks glikoamylazy. Ten kompleks (EC 3.2.1.3 i 3.2.1.20) hydrolizuje wiązania -1,4-glikozydowe między resztami glukozy w oligosacharydach. Sekwencja aminokwasowa kompleksu glikoamylazy wykazuje 60% homologię z sekwencją kompleksu sacharaza-izomaltaza. Oba kompleksy należą do rodziny 31 hydrolaz glikozylowych. Będąc egzoglikozydazą, enzym działa od strony redukującej, może również rozkładać maltozę, działając w tej reakcji jako maltaza (w tym przypadku kompleks glikoamylazy hydrolizuje pozostałe 20% oligo- i polisacharydów maltozy powstałych podczas trawienia ). Kompleks zawiera dwie podjednostki katalityczne z niewielkimi różnicami w specyficzności substratowej. Kompleks jest najbardziej aktywny w dolnych partiach jelita cienkiego.

5.2.4.  -Kompleks glikozydazy (laktaza). Ten kompleks enzymatyczny hydrolizuje wiązania -1,4-glikozydowe między galaktozą i glukozą w laktozie.

Glikoproteina jest związana z rąbkiem szczoteczkowym i jest nierównomiernie rozmieszczona w jelicie cienkim. Wraz z wiekiem aktywność laktazy spada: jest maksymalna u niemowląt, u dorosłych jest mniejsza niż 10% poziomu aktywności enzymu izolowanego u dzieci.

5.2.5. Tregalase. Enzym ten (EC 3.2.1.28) jest kompleksem glikozydazy, który hydrolizuje wiązania między monomerami w trehalozie, disacharydzie występującym w grzybach i składającym się z dwóch reszt glukozylowych połączonych wiązaniem glikozydowym między pierwszymi atomami węgla.

W wyniku działania hydrolaz glikozylowych z węglowodanów spożywczych w wyniku działania hydrolaz glikozylowych powstają monosacharydy: w dużej ilości glukoza, fruktoza, galaktoza, a w mniejszym stopniu - mannoza, ksyloza, arabinoza, które są wchłaniane przez komórki nabłonkowe jelita czczego i krętego oraz transportowane przez błony tych komórek za pomocą specjalnych mechanizmów.

5.2.6. Transport cukrów prostych przez błony komórek nabłonka jelit. Przeniesienie cukrów prostych do komórek błony śluzowej jelit może odbywać się poprzez ułatwioną dyfuzję i aktywny transport. W przypadku transportu aktywnego glukoza jest transportowana przez błonę wraz z jonem Na+ przez jedno białko nośnikowe, a substancje te oddziałują z różnymi częściami tego białka (ryc. 5.12). Jon Na + wchodzi do komórki wzdłuż gradientu stężenia, a glukoza  przeciwnie do gradientu stężenia (wtórny transport aktywny), dlatego im większy gradient, tym więcej glukozy zostanie przeniesione do enterocytów. Wraz ze spadkiem stężenia Na + w płynie pozakomórkowym zmniejsza się podaż glukozy. Gradient stężenia Na+ leżący u podstaw aktywnego symportu jest zapewniony przez działanie Na+,K+-ATPazy, która działa jak pompa wypompowująca Na+ z komórki w zamian za jon K+. W ten sam sposób galaktoza wnika do enterocytów w mechanizmie wtórnego transportu aktywnego.

Ryż. 5.12. Wejście monosacharydów do enterocytów. SGLT1 – zależny od sodu transporter glukozy/galaktozy w błonie komórek nabłonka; Na + , K + -ATPaza na błonie podstawno-bocznej tworzy gradient stężenia jonów sodu i potasu niezbędnych do funkcjonowania SGLT1. GLUT5 transportuje głównie fruktozę przez błonę do komórki. GLUT2 na błonie podstawno-bocznej transportuje glukozę, galaktozę i fruktozę z komórki (zgodnie z )

Dzięki aktywnemu transportowi enterocyty mogą wchłaniać glukozę w jej niskim stężeniu w świetle jelita. Przy wysokim stężeniu glukozy wnika do komórek poprzez ułatwioną dyfuzję za pomocą specjalnych białek nośnikowych (transporterów). W ten sam sposób fruktoza jest przenoszona do komórek nabłonka.

Monosacharydy dostają się do naczyń krwionośnych z enterocytów głównie poprzez ułatwioną dyfuzję. Połowa glukozy przez naczynia włosowate kosmków przez żyłę wrotną jest transportowana do wątroby, połowa jest dostarczana przez krew do komórek innych tkanek.

5.2.7. Transport glukozy z krwi do komórek. Wnikanie glukozy z krwi do komórek odbywa się poprzez ułatwioną dyfuzję, tj. szybkość transportu glukozy jest określona przez gradient jej stężeń po obu stronach błony. W komórkach mięśniowych i tkance tłuszczowej ułatwiona dyfuzja jest regulowana przez insulinę, hormon trzustkowy. W przypadku braku insuliny błona komórkowa nie zawiera transporterów glukozy. Transporter glukozy (transporter) z erytrocytów (GLUT1), jak widać na ryc. 5.13 jest białkiem transbłonowym składającym się z 492 reszt aminokwasowych i mającym strukturę domeny. Reszty aminokwasów polarnych znajdują się po obu stronach błony, hydrofobowe zlokalizowane są w błonie, przecinając ją kilkakrotnie. Na zewnętrznej stronie membrany znajduje się miejsce wiązania glukozy. Gdy glukoza jest związana, konformacja nośnika zmienia się, a miejsce wiązania monosacharydu zostaje otwarte wewnątrz komórki. Glukoza przenika do komórki, oddzielając się od białka nośnikowego.

5.2.7.1. Transportery glukozy: GLUT 1, 2, 3, 4, 5. Transportery glukozy zostały znalezione we wszystkich tkankach, których jest kilka odmian, ponumerowanych w kolejności ich odkrycia. Opisano pięć typów GLUT, które mają podobną podstawową strukturę i organizację domeny.

GLUT 1 zlokalizowany w mózgu, łożysku, nerkach, jelicie grubym, erytrocytach dostarcza glukozę do mózgu.

GLUT 2 transportuje glukozę z narządów, które ją wydzielają do krwi: enterocytów, wątroby, transportuje ją do komórek β wysp Langerhansa trzustki.

GLUT 3 znajduje się w wielu tkankach, w tym w mózgu, łożysku, nerkach i zapewnia napływ glukozy do komórek tkanki nerwowej.

GLUT 4 transportuje glukozę do komórek mięśniowych (szkieletowych i sercowych) oraz tkanki tłuszczowej i jest zależny od insuliny.

GLUT 5 znajduje się w komórkach jelita cienkiego i może również tolerować fruktozę.

Wszyscy nosiciele mogą znajdować się zarówno w cytoplazmie

Ryż. 5.13. Struktura białka nośnikowego (transportera) glukozy z erytrocytów (GLUT1) (wg)

pęcherzyki w komórkach i błonie komórkowej. W przypadku braku insuliny GLUT 4 znajduje się tylko wewnątrz komórki. Pod wpływem insuliny pęcherzyki transportowane są do błony plazmatycznej, łączą się z nią, a GLUT 4 wbudowuje się w błonę, po czym transporter ułatwia dyfuzję glukozy do komórki. Po obniżeniu stężenia insuliny we krwi transportery ponownie wracają do cytoplazmy i transport glukozy do komórki ustaje.

W pracy transporterów glukozy zidentyfikowano różne zaburzenia. Wraz z dziedzicznym defektem białek nośnikowych rozwija się cukrzyca insulinoniezależna. Oprócz defektów białkowych istnieją inne zaburzenia spowodowane: 1) defektem w przekazywaniu sygnału insuliny o ruchu transportera do błony, 2) defektem ruchu transportera, 3) defektem włączenie białka do błony, 4) naruszenie sznurowania z błony.

5.2.8. Insulina. Związek ten jest hormonem wydzielanym przez komórki β wysp Langerhansa trzustki. Insulina to polipeptyd składający się z dwóch łańcuchów polipeptydowych: jeden zawiera 21 reszt aminokwasowych (łańcuch A), drugi zawiera 30 reszt aminokwasowych (łańcuch B). Łańcuchy są połączone dwoma wiązaniami dwusiarczkowymi: A7-B7, A20-B19. Wewnątrz łańcucha A znajduje się wewnątrzcząsteczkowe wiązanie dwusiarczkowe między szóstą a jedenastą resztą. Hormon może występować w dwóch konformacjach: T i R (ryc. 5.14).

Ryż. 5.14. Struktura przestrzenna monomerycznej formy insuliny: a insulina wieprzowa, konformacja T, b insulina ludzka, konformacja R (pokazano łańcuch A) czerwony kolor, łańcuch B  żółty) (według )

Hormon może występować jako monomer, dimer i heksamer. W postaci heksamerycznej insulina jest stabilizowana przez jon cynku, który koordynuje łańcuch His10 B wszystkich sześciu podjednostek (ryc. 5.15).

Insuliny ssacze mają dużą homologię w budowie pierwotnej z insuliną ludzką: np. w insulinie świńskiej jest tylko jedna substytucja - zamiast treoniny na końcu karboksylowym łańcucha B jest alanina, w insulinie bydlęcej są trzy inne aminokwasy pozostałości w porównaniu z insuliną ludzką. Najczęściej substytucje występują w pozycjach 8, 9 i 10 łańcucha A, ale nie wpływają one znacząco na aktywność biologiczną hormonu.

Substytucje reszt aminokwasowych w pozycjach wiązań disiarczkowych, reszt hydrofobowych w regionach C- i N-końcowych łańcucha A oraz w regionach C-końcowych łańcucha B są bardzo rzadkie, co wskazuje na znaczenie tych regiony w przejawach biologicznej aktywności insuliny. Reszty Phe24 i Phe25 łańcucha B oraz reszty C- i N-końcowe łańcucha A biorą udział w tworzeniu centrum aktywnego hormonu.

Ryż. 5.15. Struktura przestrzenna heksameru insuliny (R 6) (wg )

5.2.8.1. biosynteza insuliny. Insulina jest syntetyzowana jako prekursor, preproinsulina, zawierająca 110 reszt aminokwasowych, na polirybosomach w szorstkiej siateczce endoplazmatycznej. Biosynteza rozpoczyna się od utworzenia peptydu sygnałowego, który penetruje światło retikulum endoplazmatycznego i kieruje ruchem rosnącego polipeptydu. Pod koniec syntezy peptyd sygnałowy o długości 24 reszt aminokwasowych jest odcinany od preproinsuliny do proinsuliny zawierającej 86 reszt aminokwasowych i przenoszony do aparatu Golgiego, gdzie w zbiornikach zachodzi dalsze dojrzewanie insuliny. Strukturę przestrzenną proinsuliny przedstawiono na ryc. 5.16.

W procesie przedłużonego dojrzewania pod wpływem endopeptydaz serynowych PC2 i PC1/3 najpierw rozszczepia się wiązanie peptydowe pomiędzy Arg64 i Lys65, a następnie hydrolizuje się wiązanie peptydowe utworzone przez Arg31 i Arg32, przy czym peptyd C składa się z 31 reszty aminokwasowe są rozszczepiane. Konwersja proinsuliny do insuliny zawierającej 51 reszt aminokwasowych kończy się hydrolizą reszt argininy na końcu N łańcucha A i na końcu C łańcucha B pod wpływem działania karboksypeptydazy E, która wykazuje specyficzność zbliżoną do karboksypeptydaza B, czyli hydrolizuje wiązania peptydowe, grupę imino należącą do głównego aminokwasu (ryc. 5.17 i 5.18).

Ryż. 5.16. Proponowana struktura przestrzenna proinsuliny w konformacji sprzyjającej proteolizie. Czerwone kulki oznaczają reszty aminokwasowe (Arg64 i Lys65; Arg31 i Arg32), pomiędzy którymi wiązania peptydowe ulegają hydrolizie w wyniku obróbki proinsuliny (wg )

Insulina i peptyd C w równomolowych ilościach przedostają się do ziarnistości wydzielniczych, gdzie insulina, oddziałując z jonem cynku, tworzy dimery i heksamery. Ziarna sekrecyjne, łączące się z błoną komórkową, wydzielają insulinę i peptyd C do płynu zewnątrzkomórkowego w wyniku egzocytozy. Okres półtrwania insuliny w osoczu krwi wynosi 3–10 min, a peptydu C około 30 min. Insulina ulega rozkładowi pod wpływem enzymu insulinazy, proces ten zachodzi w wątrobie i nerkach.

5.2.8.2. Regulacja syntezy i wydzielania insuliny. Głównym regulatorem wydzielania insuliny jest glukoza, która reguluje ekspresję genu insuliny oraz genów białkowych biorących udział w metabolizmie głównych nośników energii. Glukoza może bezpośrednio wiązać się z czynnikami transkrypcyjnymi, co ma bezpośredni wpływ na szybkość ekspresji genów. Możliwy jest wtórny wpływ na sekrecję insuliny i glukagonu, gdy uwolnienie insuliny z ziarnistości wydzielniczych aktywuje transkrypcję mRNA insuliny. Ale wydzielanie insuliny zależy od stężenia jonów Ca 2+ i zmniejsza się wraz z ich niedoborem nawet przy wysokim stężeniu glukozy, co aktywuje syntezę insuliny. Ponadto jest hamowany przez adrenalinę, gdy wiąże się z receptorami 2. Stymulatorami wydzielania insuliny są hormony wzrostu, kortyzol, estrogeny, hormony przewodu pokarmowego (sekretyna, cholecystokinina, żołądkowy peptyd hamujący).

Ryż. 5.17. Synteza i przetwarzanie preproinsuliny (wg )

Wydzielanie insuliny przez komórki β wysp Langerhansa w odpowiedzi na wzrost stężenia glukozy we krwi przebiega następująco:

Ryż. 5.18. Przetwarzanie proinsuliny w insulinę przez hydrolizę wiązania peptydowego między Arg64 i Lys65, katalizowane przez endopeptydazę serynową PC2 oraz rozszczepienie wiązania peptydowego między Arg31 i Arg32 przez endopeptydazę serynową PC1/3, konwersja kończy się przecięciem reszt argininy na N -koniec łańcucha A i C-koniec łańcuchów B pod działaniem karboksypeptydazy E (odcięte reszty argininy pokazano w kółkach). W wyniku przetwarzania oprócz insuliny powstaje peptyd C (zgodnie z)

1) glukoza jest transportowana do komórek  przez białko nośnikowe GLUT 2;

2) w komórce glukoza ulega glikolizie i jest dalej utleniana w cyklu oddechowym z wytworzeniem ATP; intensywność syntezy ATP zależy od poziomu glukozy we krwi;

3) pod działaniem ATP kanały jonów potasowych są zamknięte, a błona depolaryzowana;

4) depolaryzacja błony powoduje otwarcie zależnych od napięcia kanałów wapniowych i wnikanie wapnia do komórki;

5) wzrost poziomu wapnia w komórce aktywuje fosfolipazę C, która rozszczepia jeden z fosfolipidów błonowych - fosfatydyloinozyto-4,5-difosforan - na inozytol-1,4,5-trifosforan i diacyloglicerol;

6) trifosforan inozytolu, wiążący się z białkami receptorowymi retikulum endoplazmatycznego, powoduje gwałtowny wzrost stężenia związanego wapnia wewnątrzkomórkowego, co prowadzi do uwolnienia wstępnie zsyntetyzowanej insuliny przechowywanej w ziarnistościach wydzielniczych.

5.2.8.3. Mechanizm działania insuliny. Głównym działaniem insuliny na komórki mięśniowe i tłuszczowe jest zwiększenie transportu glukozy przez błonę komórkową. Stymulacja insuliną prowadzi do 20-40-krotnego zwiększenia szybkości wnikania glukozy do komórki. Stymulacja insuliną powoduje 5–10-krotny wzrost zawartości białek transportujących glukozę w błonach plazmatycznych przy jednoczesnym zmniejszeniu o 50–60% ich zawartości w puli wewnątrzkomórkowej. Wymagana ilość energii w postaci ATP jest potrzebna głównie do aktywacji receptora insuliny, a nie do fosforylacji białka transportowego. Stymulacja transportu glukozy zwiększa zużycie energii 20–30 razy, podczas gdy do przemieszczania transporterów glukozy potrzebna jest tylko niewielka ilość glukozy. Translokację transporterów glukozy do błony komórkowej obserwuje się już kilka minut po interakcji insuliny z receptorem, a dalsze stymulujące działanie insuliny jest niezbędne do przyspieszenia lub podtrzymania procesu cyklu białek transporterowych.

Insulina, podobnie jak inne hormony, działa na komórki poprzez odpowiednie białko receptorowe. Receptor insuliny jest złożonym integralnym białkiem błony komórkowej, składającym się z dwóch podjednostek  (130 kDa) i dwóch podjednostek  (95 kDa); te pierwsze znajdują się całkowicie poza komórką, na jej powierzchni, te drugie przenikają przez błonę komórkową.

Receptor insuliny jest tetramerem składającym się z dwóch zewnątrzkomórkowych podjednostek α ​​oddziałujących z hormonem i połączonych ze sobą mostkami dwusiarczkowymi między cysteinami 524 i trypletami Cys682, Cys683, Cys685 obu podjednostek α ​​(patrz Ryc. 5.19, a) i dwie transbłonowe podjednostki  wykazujące aktywność kinazy tyrozynowej połączone mostkiem dwusiarczkowym między Cys647 () i Cys872. Łańcuch polipeptydowy podjednostki α o masie cząsteczkowej 135 kDa zawiera 719 aminokwasów

Ryż. 5.19. Struktura dimeru receptora insuliny: a modułowa budowa receptora insuliny. Powyżej - podjednostki α połączone mostkami dwusiarczkowymi Cys524, Cys683-685 i składające się z sześciu domen: dwóch zawierających powtórzenia leucynowe L1 i L2, bogatego w cysteinę regionu CR i trzech domen fibronektyny typu III Fno , Fn 1 , ID (wprowadzenie domena) . Poniżej - podjednostki związane z podjednostką  mostkiem dwusiarczkowym Cys647Cys872 i składające się z siedmiu domen: trzech domen fibronektynowych ID, Fn 1 i Fn 2, domeny transbłonowej TM sąsiadującej z błoną domeny JM, domeny kinazy tyrozynowej TK, C-końcowy ST; b przestrzenny układ receptora, jeden dimer jest przedstawiony w kolorze, drugi jest biały, A  pętla aktywująca naprzeciw miejsca wiązania hormonu, X (czerwony)  C-końcowa część podjednostki , X (czarny)  N -końcowa część podjednostki , żółte kulki 1,2,3 - wiązania dwusiarczkowe między resztami cysteiny w pozycjach 524, 683-685, 647-872 (wg )

reszt kwasowych i składa się z sześciu domen: dwóch domen L1 i L2 zawierających powtórzenia leucynowe, bogatego w cysteinę regionu CR, w którym znajduje się centrum wiążące insulinę, oraz trzech domen fibronektyny typu III Fno , Fn 1 , Ins (domena wprowadzająca) (patrz Rys. 5.18). Podjednostka  zawiera 620 reszt aminokwasowych, ma masę cząsteczkową 95 kDa i składa się z siedmiu domen: trzech domen fibronektynowych ID, Fn 1 i Fn 2, transbłonowej domeny TM, domeny JM sąsiadującej z błoną, TK domena kinazy tyrozynowej i C-końcowy CT. Na receptorze znaleziono dwa miejsca wiązania insuliny: jedno o wysokim powinowactwie, drugie o niskim powinowactwie. Aby przenieść sygnał hormonalny do komórki, insulina musi związać się z miejscem o wysokim powinowactwie. Centrum to powstaje, gdy insulina wiąże się z domen L1, L2 i CR jednej podjednostki  i domen fibronektyny drugiej, podczas gdy układ podjednostek  jest przeciwny do siebie, jak pokazano na ryc. 5.19, Z.

W przypadku braku interakcji insuliny z centrum receptora o wysokim powinowactwie, podjednostki  są odsunięte od podjednostek  przez występ (cam), będący częścią domeny CR, co zapobiega kontaktowi pętli aktywującej (A -pętla) domeny kinazy tyrozynowej jednej podjednostki z miejscami fosforylacji na innej podjednostce  (rysunek 5.20, b). Kiedy insulina wiąże się z centrum wysokiego powinowactwa receptora insuliny, konformacja receptora zmienia się, występ nie uniemożliwia już zbliżania się podjednostek α ​​i β, pętle aktywujące domen TK oddziałują z miejscami fosforylacji tyrozyny na przeciwnych TK transfosforylacja podjednostek β zachodzi w siedmiu resztach tyrozyny: Y1158, Y1162, Y1163 pętli aktywującej (jest to domena regulatorowa kinazy), Y1328, Y1334 domeny ST, Y965, Y972 domeny JM (ryc. 5.20 , a), co prowadzi do wzrostu aktywności kinazy tyrozynowej receptora. W pozycji 1030 TK znajduje się reszta lizyny zawarta w aktywnym centrum katalitycznym - centrum wiązania ATP. Zastąpienie tej lizyny wieloma innymi aminokwasami przez ukierunkowaną mutagenezę znosi aktywność kinazy tyrozynowej receptora insuliny, ale nie zaburza wiązania insuliny. Jednak dodanie insuliny do takiego receptora nie ma wpływu na metabolizm i proliferację komórek. Natomiast fosforylacja niektórych reszt serynowo-treoninowych zmniejsza powinowactwo do insuliny i zmniejsza aktywność kinazy tyrozynowej.

Znanych jest kilka substratów receptora insuliny: IRS-1 (substrat receptora insuliny), IRS-2, białka z rodziny STAT (przetwornik sygnału i aktywator transkrypcji - przetworniki sygnału i aktywatory transkrypcji omówiono szczegółowo w Części 4 „Biochemiczne podstawy obrony reakcje").

IRS-1 jest białkiem cytoplazmatycznym, które wiąże się z fosforylowanymi tyrozynami receptora insuliny TK swoją domeną SH2 i jest fosforylowane przez kinazę tyrozynową receptora natychmiast po stymulacji insuliną. Stopień fosforylacji substratu zależy od wzrostu lub spadku odpowiedzi komórkowej na insulinę, amplitudy zmian w komórkach oraz wrażliwości na hormon. Uszkodzenie genu IRS-1 może być przyczyną cukrzycy insulinozależnej. Łańcuch peptydowy IRS-1 zawiera około 1200 reszt aminokwasowych, 20–22 potencjalnych centrów fosforylacji tyrozyny i około 40 centrów fosforylacji seryn-treonina.

Ryż. 5.20. Uproszczony schemat zmian strukturalnych w wiązaniu insuliny z receptorem insuliny: a zmiana konformacji receptora w wyniku wiązania hormonu w centrum wysokiego powinowactwa prowadzi do przesunięcia występu, konwergencji podjednostek i transfosforylacji domen TK; b przy braku interakcji insuliny z miejscem wiązania o wysokim powinowactwie na receptorze insuliny, występ (cam) zapobiega zbliżaniu się podjednostek  i oraz transfosforylacji domen TK. Pętla A - pętla aktywująca domeny TK, cyfry 1 i 2 w kółku - wiązania dwusiarczkowe między podjednostkami, TK - domena kinazy tyrozynowej, C - centrum katalityczne TK, zestaw 1 i zestaw 2 - sekwencje aminokwasowe podjednostek  które tworzą miejsce o dużym powinowactwie insuliny do receptora (wg )

Fosforylacja IRS-1 na kilku resztach tyrozynowych daje mu zdolność wiązania się z białkami zawierającymi domeny SH2: fosfataza tyrozynowa syp, podjednostka p85 kinazy PHI-3 (kinaza fosfatydyloinozytolu-3), białko adaptorowe Grb2, białkowa fosfataza tyrozynowa SH- PTP2, fosfolipaza C, GAP (aktywator małych białek wiążących GTP). W wyniku interakcji IRS-1 z podobnymi białkami generowanych jest wiele dalszych sygnałów.

Ryż. 5.21. Translokacja białek transportujących glukozę GLUT 4 w komórkach mięśniowych i tłuszczowych z cytoplazmy do błony komórkowej pod wpływem insuliny. Oddziaływanie insuliny z receptorem prowadzi do fosforylacji substratu receptora insuliny (IRS) wiążącego kinazę PI-3 (PI3K), która katalizuje syntezę fosfolipidu 3,4,5-trifosforanu fosfatydyloinozytolu (PtdIns(3, 4,5)P3). Ten ostatni związek, wiążąc domeny plekstryny (PH), mobilizuje kinazy białkowe PDK1, PDK2 i PKV do błony komórkowej. PDK1 fosforyluje RKB w Thr308, aktywując go. Fosforylowany RKV wiąże się z pęcherzykami zawierającymi GLUT4, powodując ich translokację do błony komórkowej, co prowadzi do zwiększonego transportu glukozy do komórek mięśniowych i tłuszczowych (zgodnie z )

Stymulowana przez fosforylowany IRS-1, fosfolipaza C hydrolizuje błonę komórkową fosfolipid fosfatydyloinozyto-4,5-difosforan, tworząc dwa drugie przekaźniki: inozyto-3,4,5-trifosforan i diacyloglicerol. Inozytol-3,4,5-trifosforan działając na kanały jonowe retikulum endoplazmatycznego uwalnia z niego wapń. Diacyloglicerol działa na kalmodulinę i kinazę białkową C, która fosforyluje różne substraty, prowadząc do zmiany aktywności układów komórkowych.

Fosforylowany IRS-1 aktywuje również kinazę PHI-3, która katalizuje fosforylację 4-fosforanu fosfatydyloinozytolu i 4,5-difosforanu fosfatydyloinozytolu w pozycji 3, tworząc 3-fosforan fosfatydyloinozytolu, 3,4-difosforan fosfatydyloinozytolu i odpowiednio fosfatydyloinozytol -3,4,5-trifosforan.

Kinaza PHI-3 jest heterodimerem zawierającym podjednostki regulatorowe (p85) i katalityczne (p110). Podjednostka regulatorowa ma dwie domeny SH2 i domenę SH3, więc kinaza PI-3 przyłącza się do IRS-1 z wysokim powinowactwem. Powstające w błonie pochodne fosfatydyloinozytolu, fosforylowane w pozycji 3, wiążą białka zawierające tzw. domenę plekstryny (PH) (domena wykazuje duże powinowactwo do 3-fosforanów fosfatydyloinozytolu): kinaza białkowa PDK1 (kinaza zależna od fosfatydyloinozytolu), białko kinaza B (PKV).

Kinaza białkowa B (PKB) składa się z trzech domen: N-końcowej plekstryny, centralnej katalitycznej i C-końcowej regulatorowej. Do aktywacji RKV wymagana jest domena plektryny. Wiążąc się za pomocą domeny plekstryny w pobliżu błony komórkowej, PKV zbliża się do kinazy białkowej PDK1, która poprzez

jego domena plekstryny jest również zlokalizowana w pobliżu błony komórkowej. PDK1 fosforyluje Thr308 domeny kinazy PKV, powodując aktywację PKV. Aktywowany PKV fosforyluje kinazę syntazy glikogenu 3 (w pozycji Ser9), powodując inaktywację enzymu, a tym samym proces syntezy glikogenu. Kinaza Phi-3-fosforanu-5 ulega również fosforylacji, która działa na pęcherzyki, w których białka nośnikowe GLUT 4 są przechowywane w cytoplazmie adipocytów, powodując ruch transporterów glukozy do błony komórkowej, wbudowywanie się w nią i transbłonowy transport glukozy w komórki mięśniowe i tłuszczowe (ryc. 5.21).

Insulina nie tylko wpływa na wnikanie glukozy do komórki za pomocą białek nośnikowych GLUT 4. Bierze udział w regulacji metabolizmu glukozy, tłuszczów, aminokwasów, jonów, w syntezie białek oraz wpływa na procesy replikacja i transkrypcja.

Wpływ na metabolizm glukozy w komórce odbywa się poprzez stymulację procesu glikolizy poprzez zwiększenie aktywności enzymów biorących udział w tym procesie: glukokinazy, fosfofruktokinazy, kinazy pirogronianowej, heksokinazy. Insulina poprzez kaskadę cyklazy adenylowej aktywuje fosfatazę, która defosforyluje syntazę glikogenu, co prowadzi do aktywacji syntezy glikogenu (ryc. 5.22) i zahamowania procesu jego rozkładu. Insulina hamując karboksykinazę fosfoenolopirogronianową hamuje proces glukoneogenezy.

Ryż. 5.22. Schemat syntezy glikogenu

W wątrobie i tkance tłuszczowej pod wpływem insuliny synteza tłuszczów jest stymulowana przez aktywację enzymów: karboksylazy acetylo-CoA, lipazy lipoproteinowej. W tym przypadku rozkład tłuszczów jest zahamowany, ponieważ fosfataza aktywowana insuliną, defosforylująca wrażliwą na hormony lipazę triacyloglicerolową, hamuje ten enzym i zmniejsza się stężenie krążących we krwi kwasów tłuszczowych.

W wątrobie, tkance tłuszczowej, mięśniach szkieletowych i sercu insulina wpływa na szybkość transkrypcji ponad stu genów.

5.2.9. Glukagon. W odpowiedzi na spadek stężenia glukozy we krwi komórki  wysp Langerhansa trzustki wytwarzają „hormon głodu” - glukagon, który jest polipeptydem o masie cząsteczkowej 3485 Da, składającym się z 29 aminokwasów pozostałości.

Działanie glukagonu jest odwrotne do działania insuliny. Insulina sprzyja magazynowaniu energii poprzez stymulację glikogenezy, lipogenezy i syntezy białek, a glukagon poprzez stymulację glikogenolizy i lipolizy powoduje szybką mobilizację potencjalnych źródeł energii.

Ryż. 5.23. Struktura ludzkiego proglukagonu i specyficzne tkankowo przetwarzanie proglukagonu w peptydy pochodzące z proglukagonu: glukagon i MPGF (główny fragment proglukagonu) powstają z proglukagonu w trzustce; Glycentyna, oksyntomodulina, GLP-1 (peptyd pochodzący z proglukagonu), GLP-2, dwa peptydy pośrednie (peptyd interweniujący - IP), GRPP - glicentynowy polipeptyd trzustkowy (polipeptyd z trzustki - pochodna glicyny) (wg )

Hormon jest syntetyzowany przez komórki  wysp Langerhansa trzustki, a także w komórkach neuroendokrynnych jelita i ośrodkowego układu nerwowego w postaci nieaktywnego prekursora  proglukagonu (masa cząsteczkowa 9000 Da), zawierającego 180 reszt aminokwasowych i poddane obróbce przy użyciu konwertazy 2 i tworzące kilka peptydów o różnej długości, w tym glukagon i dwa peptydy glukagonopodobne (peptyd glukagonopodobny  GLP-1, GLP-2, glicetyna) (ryc. 5.23). 14 z 27 reszt aminokwasowych glukagonu jest identycznych z resztami w cząsteczce innego hormonu przewodu pokarmowego, sekretyny.

Aby związać glukagon z receptorami komórek odpowiadających, wymagana jest integralność jego sekwencji 1-27 od N-końca. Ważną rolę w przejawach działania hormonu odgrywa reszta histydynowa zlokalizowana na końcu N, aw wiązaniu z receptorami fragment 20-27.

W osoczu krwi glukagon nie wiąże się z żadnym białkiem transportowym, jego okres półtrwania wynosi 5 minut, w wątrobie jest niszczony przez proteinazy, natomiast rozpad rozpoczyna się od rozerwania wiązania między Ser2 i Gln3 oraz usunięcia dipeptydu od N-końca.

Wydzielanie glukagonu jest hamowane przez glukozę, ale stymulowane przez pokarmy białkowe. GLP-1 hamuje wydzielanie glukagonu i stymuluje wydzielanie insuliny.

Glukagon działa tylko na hepatocyty i komórki tłuszczowe, które mają dla niego receptory w błonie komórkowej. W hepatocytach, wiążąc się z receptorami na błonie komórkowej, glukagon aktywuje cyklazę adenylanową, która katalizuje tworzenie cAMP, za pomocą białka G, co z kolei prowadzi do aktywacji fosforylazy, co przyspiesza rozpad glikogenu oraz hamowanie syntazy glikogenu i hamowanie tworzenia glikogenu. Glukagon stymuluje glukoneogenezę poprzez indukcję syntezy enzymów biorących udział w tym procesie: glukozo-6-fosfatazy, karboksykinazy fosfoenolopirogronianowej, fruktozy-1,6-difosfatazy. Efektem netto glukagonu w wątrobie jest zwiększenie produkcji glukozy.

W komórkach tłuszczowych hormon również, wykorzystując kaskadę cyklazy adenylanowej, aktywuje wrażliwą na hormon lipazę triacyloglicerolową, stymulując lipolizę. Glukagon zwiększa wydzielanie katecholamin przez rdzeń nadnerczy. Uczestnicząc w realizacji reakcji typu „walcz lub uciekaj”, glukagon zwiększa dostępność substratów energetycznych (glukoza, wolne kwasy tłuszczowe) dla mięśni szkieletowych oraz zwiększa ukrwienie mięśni szkieletowych poprzez zwiększenie pracy serca.

Glukagon nie ma wpływu na glikogen mięśni szkieletowych ze względu na prawie całkowity brak w nich receptorów glukagonu. Hormon powoduje wzrost wydzielania insuliny z komórek beta trzustki i hamowanie aktywności insulinazy.

5.2.10. Regulacja metabolizmu glikogenu. Nagromadzenie glukozy w organizmie w postaci glikogenu i jej rozpad są zgodne z potrzebami energetycznymi organizmu. Kierunek procesów metabolizmu glikogenu regulują mechanizmy zależne od działania hormonów: w wątrobie insuliny, glukagonu i adrenaliny, w mięśniach insuliny i adrenaliny. Przełączenie procesów syntezy lub rozpadu glikogenu następuje podczas przejścia z okresu wchłaniania do okresu poabsorpcyjnego lub gdy stan spoczynku zmienia się na pracę fizyczną.

5.2.10.1. Regulacja aktywności fosforylazy glikogenu i syntazy glikogenu. Gdy zmienia się stężenie glukozy we krwi, następuje synteza i wydzielanie insuliny i glukagonu. Hormony te regulują procesy syntezy i rozkładu glikogenu, wpływając na aktywność kluczowych enzymów tych procesów: syntazy glikogenu i fosforylazy glikogenu poprzez ich fosforylację-defosforylację.

Ryż. 5.24 Aktywacja fosforylazy glikogenowej przez fosforylację reszty Ser14 przez kinazę fosforylazy glikogenowej i inaktywację przez fosfatazę katalizującą defosforylację reszty seryny (zgodnie z )

Oba enzymy występują w dwóch formach: ufosforylowanej (aktywna fosforylaza glikogenowa) a i nieaktywna syntaza glikogenu) i defosforylowana (nieaktywna fosforylaza) b i aktywna syntaza glikogenu) (ryc. 5.24 i 5.25). Fosforylację prowadzi się przez kinazę katalizującą przeniesienie reszty fosforanowej z ATP do reszty seryny, a defosforylację katalizuje fosfataza fosfoproteinowa. Aktywności kinazy i fosfatazy są również regulowane przez fosforylację-defosforylację (patrz ryc. 5.25).

Ryż. 5.25. Regulacja aktywności syntazy glikogenu. Enzym jest aktywowany przez działanie fosfatazy fosfoproteinowej (PP1), która defosforyluje trzy reszty fosfoseryny w pobliżu C-końca syntazy glikogenu. Kinaza syntazy glikogenu 3 (GSK3), która katalizuje fosforylację trzech reszt serynowych w syntazie glikogenu, hamuje syntezę glikogenu i jest aktywowana przez fosforylację kinazy kazeinowej (CKII). Insulina, glukoza i glukozo-6-fosforan aktywują fosfatazę fosfoproteinową, natomiast glukagon i epinefryna (epinefryna) ją hamują. Insulina hamuje działanie kinazy syntazy glikogenu 3 (wg)

Zależna od cAMP kinaza białkowa A (PKA) fosforyluje kinazę fosforylazy, zamieniając ją w stan aktywny, który z kolei fosforyluje fosforylazę glikogenu. Synteza cAMP jest stymulowana przez adrenalinę i glukagon.

Insulina poprzez kaskadę obejmującą białko Ras (szlak sygnalizacyjny Ras) aktywuje kinazę białkową pp90S6, która fosforyluje iw ten sposób aktywuje fosfatazę fosfoproteinową. Aktywna fosfataza defosforyluje i dezaktywuje kinazę fosforylazy i fosforylazę glikogenu.

Fosforylacja przez PKA syntazy glikogenu prowadzi do jej inaktywacji, a defosforylacja przez fosfatazę fosfoproteinową aktywuje enzym.

5.2.10.2. Regulacja metabolizmu glikogenu w wątrobie. Zmiana stężenia glukozy we krwi zmienia również względne stężenia hormonów: insuliny i glukagonu. Stosunek stężenia insuliny do stężenia glukagonu we krwi nazywany jest „indeksem insulina-glukagon”. W okresie poabsorpcyjnym wskaźnik spada, a na regulację stężenia glukozy we krwi wpływa stężenie glukagonu.

Glukagon, jak wspomniano powyżej, aktywuje uwalnianie glukozy do krwi w wyniku rozpadu glikogenu (aktywacja fosforylazy glikogenu i hamowanie syntazy glikogenu) lub poprzez syntezę z innych substancji – glukoneogenezę. Z glikogenu powstaje glukozo-1-fosforan, który izomeryzuje do glukozo-6-fosforanu, który hydrolizuje w wyniku działania glukozo-6-fosfatazy, tworząc wolną glukozę, która może opuścić komórkę do krwi (ryc. 5.26).

Działanie adrenaliny na hepatocyty jest podobne do działania glukagonu w przypadku wykorzystania receptorów 2 i wynika z fosforylacji i aktywacji fosforylazy glikogenu. W przypadku oddziaływania adrenaliny z receptorami 1 błony komórkowej transbłonowe przekazywanie sygnału hormonalnego odbywa się za pomocą mechanizmu fosforanu inozytolu. W obu przypadkach aktywowany jest proces rozkładu glikogenu. Zastosowanie jednego lub drugiego rodzaju receptora zależy od stężenia adrenaliny we krwi.

Ryż. 5.26. Schemat fosforolizy glikogenu

Podczas trawienia wzrasta wskaźnik insulina-glukagon i dominuje wpływ insuliny. Insulina obniża stężenie glukozy we krwi, aktywuje poprzez fosforylację szlakiem Ras fosfodiesterazę cAMP, która hydrolizuje ten drugi przekaźnik z wytworzeniem AMP. Insulina aktywuje również poprzez szlak Ras fosfatazę fosfoproteinową ziarnistości glikogenu, która defosforyluje i aktywuje syntazę glikogenu oraz dezaktywuje kinazę fosforylazy i samą fosforylazę glikogenu. Insulina indukuje syntezę glukokinazy w celu przyspieszenia fosforylacji glukozy w komórce i jej włączenia do glikogenu. Tym samym insulina aktywuje proces syntezy glikogenu i hamuje jego rozkład.

5.2.10.3. Regulacja metabolizmu glikogenu w mięśniach. W przypadku wzmożonej pracy mięśni rozpad glikogenu jest przyspieszany przez adrenalinę, która wiąże się z receptorami 2 i poprzez układ cyklazy adenylanowej prowadzi do fosforylacji i aktywacji kinazy fosforylazy i fosforylazy glikogenu oraz hamowania syntazy glikogenu (ryc. 5.27 i 5.28). W wyniku dalszej konwersji powstałego z glikogenu glukozo-6-fosforanu dochodzi do syntezy ATP, który jest niezbędny do realizacji intensywnej pracy mięśni.

Ryż. 5.27. Regulacja aktywności fosforylazy glikogenowej w mięśniach (wg)

W spoczynku fosforylaza glikogenu mięśniowego jest nieaktywna, ponieważ znajduje się w stanie defosforylacji, ale rozkład glikogenu następuje w wyniku allosterycznej aktywacji fosforylazy glikogenu b za pomocą AMP i ortofosforanu powstającego podczas hydrolizy ATP.

Ryż. 5.28. Regulacja aktywności syntazy glikogenu w mięśniach (wg)

Przy umiarkowanych skurczach mięśni kinaza fosforylazy może być aktywowana allosterycznie (przez jony Ca 2+). Stężenie Ca 2+ wzrasta wraz ze skurczem mięśni w odpowiedzi na sygnał nerwu ruchowego. Gdy sygnał jest osłabiony, spadek stężenia Ca 2+ jednocześnie „wyłącza” aktywność kinazy, a więc

Jony Ca 2+ biorą udział nie tylko w skurczu mięśni, ale także w dostarczaniu energii do tych skurczów.

Jony Ca 2+ wiążą się z białkiem kalmoduliny, w tym przypadku działając jako jedna z podjednostek kinazy. Kinaza fosforylazy mięśniowej ma budowę  4  4  4  4. Tylko podjednostka ma właściwości katalityczne, podjednostki  i , będące regulatorowymi, są fosforylowane na resztach seryny przy użyciu PKA, podjednostka  jest identyczna z białkiem kalmoduliny (omówione szczegółowo w sekcji 2.3.2, część 2 " Biochemia ruchu”), wiąże cztery jony Ca 2+, co prowadzi do zmian konformacyjnych, aktywacji katalitycznej podjednostki , chociaż kinaza pozostaje w stanie defosforylacji.

Podczas trawienia w spoczynku zachodzi również synteza glikogenu mięśniowego. Glukoza wnika do komórek mięśniowych za pomocą białek nośnikowych GLUT 4 (ich mobilizację do błony komórkowej pod wpływem insuliny szczegółowo omówiono w rozdziale 5.2.4.3 i na ryc. 5.21). Wpływ insuliny na syntezę glikogenu w mięśniach odbywa się również poprzez defosforylację syntazy glikogenu i fosforylazy glikogenu.

5.2.11. Nieenzymatyczna glikozylacja białek. Jednym z rodzajów potranslacyjnej modyfikacji białek jest glikozylacja reszt seryny, treoniny, asparaginy i hydroksylizyny przy użyciu glikozylotransferaz. Ponieważ podczas trawienia we krwi powstaje duże stężenie węglowodanów (cukrów redukujących), możliwa jest nieenzymatyczna glikozylacja białek, lipidów i kwasów nukleinowych, zwana glikacją. Produkty powstałe w wyniku wieloetapowej interakcji cukrów z białkami nazywane są produktami końcowymi zaawansowanej glikacji (AGE) i znajdują się w wielu ludzkich białkach. Okres półtrwania tych produktów jest dłuższy niż białek (od kilku miesięcy do kilku lat), a szybkość ich powstawania zależy od poziomu i czasu ekspozycji na cukier redukujący. Przyjmuje się, że z ich powstawaniem związanych jest wiele powikłań wynikających z cukrzycy, choroby Alzheimera i zaćmy.

Proces glikacji można podzielić na dwie fazy: wczesną i późną. W pierwszym etapie glikacji dochodzi do nukleofilowego ataku grupy karbonylowej glukozy przez grupę -aminową lizyny lub grupę guanidyniową argininy, w wyniku czego powstaje nietrwała zasada Schiffa - N-glikozylimina (ryc. 5.29).Tworzenie zasady Schiffa jest procesem stosunkowo szybkim i odwracalnym.

Potem przychodzi rearanżacja N-glikozylimina z wytworzeniem produktu Amadori - 1-amino-1-deoksyfruktozy. Szybkość tego procesu jest niższa niż szybkość tworzenia glikozyliminy, ale znacznie wyższa niż szybkość hydrolizy zasady Schiffa,

Ryż. 5.29. Schemat glikacji białek. Otwarta forma węglowodanu (glukozy) reaguje z grupą -aminową lizyny, tworząc zasadę Schiffa, która podlega przegrupowaniu Amadori do ketoaminy poprzez pośrednie tworzenie enolaminy. Przegrupowanie Amadoriego jest przyspieszone, jeśli reszty asparaginianu i argininy znajdują się w pobliżu reszty lizyny. Ketoamina może wtedy dawać różnorodne produkty (produkty końcowe glikacji - AGE). Schemat przedstawia reakcję z drugą cząsteczką węglowodanu, w wyniku której powstaje diketoamina (zgodnie z )

dlatego we krwi gromadzą się białka zawierające reszty 1-amino-1-deoksyfruktozy.Modyfikacje reszt lizyny w białkach we wczesnej fazie glikacji są najwyraźniej ułatwione przez obecność reszt histydyny, lizyny lub argininy w bezpośrednim sąsiedztwie reagująca grupa aminowa, która przeprowadza kwas – główną katalizę procesu, a także reszty asparaginianowe, odciągając proton od drugiego atomu węgla cukru. Ketoamina może wiązać inną resztę węglowodanową na grupie iminowej, tworząc podwójnie glikowaną lizynę, która zamienia się w diketoaminę (patrz Ryc. 5.29).

Późny etap glikacji, w tym dalsze przemiany N‑glikozylimina i produkt Amadori, wolniejszy proces prowadzący do powstania stabilnych produktów końcowych glikacji (AGE). Ostatnio pojawiły się dane o bezpośrednim udziale w tworzeniu AGE związków α‑dikarbonylowych (glioksal, metyloglioksal, 3-deoksyglukozon), które powstają w żywy zarówno podczas degradacji glukozy, jak i w wyniku przekształceń zasady Schiffa podczas modyfikacji lizyny w składzie białek glukozą (ryc. 5.30). Specyficzne reduktazy i związki sulfhydrylowe (kwas liponowy, glutation) są zdolne do przekształcania reaktywnych związków dikarbonylowych w nieaktywne metabolity, co przekłada się na zmniejszenie powstawania produktów końcowych glikacji.

Reakcje związków α-dikarbonylowych z grupami ε-aminowymi reszt lizynowych lub grupami guanidynowymi reszt argininowych w białkach prowadzą do powstania wiązań poprzecznych białek, które są odpowiedzialne za powikłania spowodowane glikacją białek w cukrzycy i innych chorobach. Dodatkowo w wyniku sekwencyjnego odwadniania produktu Amadori na C4 i C5 powstają 1-amino-4-deoksy-2,3-dion i -enedion, które mogą również uczestniczyć w tworzeniu wewnątrzcząsteczkowych i międzycząsteczkowych wiązań białkowych .

Wśród AGE scharakteryzowanych N ε ‑karboksymetylolizyna (CML) i N ε -karboksyetylolizyna (CEL), addukty bis(lizylo)imidazolu (GOLD - glioksal-lizyl-lizyl-dimer, MOLD - metyloglioksal-lizyl-lizyl-dimer, DOLD - deoksyglukozon-lizyl-lizyl-dimer), imidazolony (MG-G-H, H i 3DG‑H), pirralina, argpirymidyna, pentozydyna, crosslin i vesperlisin. 5.31 pokazuje niektóre

Ryż. 5.30. Schemat glikacji białek w obecności D‑glukozy. Ramka przedstawia główne prekursory produktów AGE powstałe w wyniku glikacji (wg )

produkty końcowe glikacji. Na przykład pentozydyna i karboksymetylolizyna (CML), końcowe produkty glikacji powstałe w warunkach utleniania, znajdują się w długo żyjących białkach: kolagenie skóry i krystalinie soczewki. Karboksymetylolizyna wprowadza do białka ujemnie naładowaną grupę karboksylową zamiast dodatnio naładowanej grupy aminowej, co może prowadzić do zmiany ładunku na powierzchni białka, do zmiany struktury przestrzennej białka. CML to antygen rozpoznawany przez przeciwciała. Ilość tego produktu wzrasta liniowo wraz z wiekiem. Pentozydyna jest wiązaniem krzyżowym (produktem usieciowania) pomiędzy produktem Amadori a resztą argininy w dowolnej pozycji białka, jest utworzona z askorbinianu, glukozy, fruktozy, rybozy, znajdującej się w tkankach mózgu pacjentów z chorobą Alzheimera choroby, w skórze i osoczu krwi pacjentów z cukrzycą.

Produkty końcowe glikacji mogą sprzyjać utlenianiu wolnych rodników, zmianie ładunku na powierzchni białka, nieodwracalnemu sieciowaniu między różnymi częściami białka, co

zaburza ich strukturę przestrzenną i funkcjonowanie, czyni je odpornymi na proteolizę enzymatyczną. Z kolei utlenianie wolnorodnikowe może powodować nieenzymatyczną proteolizę lub fragmentację białek, peroksydację lipidów.

Powstawanie końcowych produktów glikacji na białkach błony podstawnej (kolagen typu IV, laminina, proteoglikan siarczanu heparanu) prowadzi do jego pogrubienia, zwężenia światła naczyń włosowatych i zaburzenia ich funkcji. Te naruszenia macierzy zewnątrzkomórkowej zmieniają strukturę i funkcję naczyń krwionośnych (spadek elastyczności ściany naczyń, zmiana w odpowiedzi na rozszerzające naczynia działanie tlenku azotu), przyczyniają się do szybszego rozwoju procesu miażdżycowego.

Produkty końcowe glikacji (AGE) wpływają również na ekspresję niektórych genów poprzez wiązanie się ze specyficznymi receptorami AGE zlokalizowanymi na fibroblastach, limfocytach T, w nerkach (komórki mezangialne), w ścianie naczyniowej (komórki śródbłonka i mięśni gładkich), w mózgu , a także w wątrobie i śledzionie, gdzie są one najliczniejsze, czyli w tkankach bogatych w makrofagi, które pośredniczą w przekazywaniu tego sygnału poprzez zwiększenie powstawania wolnych rodników tlenowych. Te z kolei aktywują transkrypcję jądrowego czynnika NF-kB, który reguluje ekspresję wielu genów reagujących na różne uszkodzenia.

Jednym ze skutecznych sposobów zapobiegania niepożądanym skutkom nieenzymatycznej glikozylacji białek jest zmniejszenie kaloryczności pożywienia, co przekłada się na zmniejszenie stężenia glukozy we krwi oraz zmniejszenie przyczepności nieenzymatycznej glukoza do długo żyjących białek, takich jak hemoglobina. Spadek stężenia glukozy prowadzi do zmniejszenia zarówno glikozylacji białek, jak i peroksydacji lipidów. Negatywny efekt glikozylacji wynika zarówno z naruszenia struktury i funkcji, gdy glukoza jest przyłączana do białek długo żyjących, jak i wynikających z tego uszkodzeń oksydacyjnych białek wywołanych przez wolne rodniki powstające podczas utleniania cukrów w obecności jonów metali przejściowych . Nukleotydy i DNA ulegają również nieenzymatycznej glikozylacji, która prowadzi do mutacji w wyniku bezpośredniego uszkodzenia DNA i inaktywacji układów naprawczych, powodując zwiększoną kruchość chromosomów. Obecnie badane są podejścia do zapobiegania wpływowi glikacji na długożyjące białka za pomocą interwencji farmakologicznych i genetycznych.

Temat lekcji: Trawienie w ustach. łykanie.

Motto lekcji:„Kto dobrze żuje, żyje długo”.

Zadania:

• Edukacyjny:
  • kształtowanie u studentów nowych koncepcji anatomicznych i fizjologicznych dotyczących składników odżywczych, trawienia, budowy i funkcji narządów trawiennych, enzymów, gruczołów trawiennych, wchłaniania, warunków higienicznych prawidłowego trawienia.
  • rozwijać umiejętność eksperymentowania, pracy z książką, uzasadniania zasad higieny przewodu pokarmowego.
• Edukacyjny:
  • do wychowania fizycznego i higienicznego, wyjaśnić higieniczne warunki prawidłowego żywienia, wykazać szkodliwość palenia i picia alkoholu, zależność zdrowia i sprawności człowieka od profilaktyki i leczenia chorób przewodu pokarmowego.
• Edukacyjny:
  • wykorzystanie aktywnych, problemowych metod nauczania, pytań do refleksji i samodzielnej pracy z podręcznikiem w celu rozwijania twórczego myślenia, mowy i zdolności poznawczych uczniów.

Ekwipunek: patka. „Schemat budowy narządów trawiennych”, „Nieuwarunkowany odruch ślinowy”, tab. „Warunkowe odruchowe ślinienie”.

Sprzęt laboratoryjny do demonstracji doświadczenia: 2 kawałki krochmalonej gazy, zapałki, wata, szalka Petriego (lub zwykły spodek) z jodem i szklanka czystej wody.

Główna treść lekcji:

1. Trawienie w jamie ustnej:
- rola zębów w mechanicznej obróbce żywności;
- gruczoły ślinowe i ich funkcje (charakterystyka ogólna)
2. Zasady higieny pielęgnacji zębów i jamy ustnej.
3. Chemiczna obróbka żywności w jamie ustnej. Enzymy śliny i specyfika ich działania (praca laboratoryjna).
4. Odruchowa regulacja wydzielania śliny (schemat nieuwarunkowanego odruchu ślinowego; przykłady odruchu warunkowego).
5. Połykanie.

Główne etapy lekcji:

1. Mobilizowanie i aktywizowanie początku lekcji. Stworzenie problematycznej sytuacji poprzez postawienie pytania „Czym jest zdrowie? Dlaczego ludzie się witają?
2. Rozmowa dotycząca wyszukiwania frontalnego w celu rozwiązania problematycznego problemu.
3. Aktualizacja wiedzy. Sprawdzenie wiedzy na poprzedni temat.
4. Wyjaśnienie głównego materiału. Historia nauczyciela, frontalne wypełnienie stołu. Notatki w zeszycie.
5. Częściowe wzmocnienie.
6. Praca laboratoryjna. Heurystyka (metoda częściowego przeszukiwania). Wyjaśnienie celu eksperymentu ze śliną (nie podano oczekiwanego wyniku).
7. Krótka informacja o tym, jak przeprowadza się eksperyment i co robić w tym samym czasie.
8. Organizacja samodzielnej pracy, badanie wyników doświadczeń, projektowanie zeszytów (krótki raport i wnioski).
9. Generalizacja i konsolidacja.
10. Diagnostyka operacyjna jakości szkolenia z wykorzystaniem „stwierdzeń prawdziwych”.
11. Na zakończenie lekcji apelem do hasła: „Kto dobrze przeżuwa, długo żyje”.

PODCZAS ZAJĘĆ

1. Aktualizacja wiedzy

A. Czym jest zdrowie? Dlaczego się przywitają? (Rozmowa ze studentami)
B. Jakie znaczenie ma trawienie?
Odpowiedź studenta: „Do chemicznego i mechanicznego przetwarzania żywności”

Dzisiaj cel naszej lekcji:

1) ujawnić znaczenie mechanicznej i chemicznej obróbki żywności w jamie ustnej;
2) zapoznać się z enzymami rozkładającymi substancje ślinowe na prostsze w jamie ustnej.

Musisz dowiedzieć się, jak i co dzieje się z pokarmem w jamie ustnej, zbadać wpływ enzymów na skrobię.

2. Ankieta

1. Pracuj przy tablicy.

Ustaw się w kolejce.

Pisanie na tablicy: mięso, ryby, mleko, chleb, makaron, tłuszcze, węglowodany, warzywa, owoce.

2. Pobrać przewód pokarmowy na tablicę magnetyczną (rys. w podręczniku).

3. Napisz sekwencję przewodu pokarmowego.

Rekord ucznia.

Usta--> gardło--> przełyk--> żołądek--> jelito cienkie--> jelito grube--> odbytnica--> odbyt.

Praca równoległa z klasą

Powtórzenie podstawowych pojęć biologicznych (wzdłuż łańcucha) pojęcie - definicja.

Produkty, odżywianie, trawienie, enzymy, narząd, tkanka, organizm, komórka, przełyk, składniki odżywcze, anatomia, biologia, higiena, fizjologia.

Chłopaki zakończyli pracę przy tablicy - wygłaszają odpowiedzi.
Podsumowuje powtarzanie pracy domowej i przejście do nowego tematu.
Zagadnienia do dyskusji.
Jaką drogę musi obrać produkt, aby został wchłonięty przez organizm i dotarł do każdej komórki?
Jaki rodzaj składniki odżywcze zawarte w żywności?
Białka, tłuszcze, węglowodany (odpowiedź ucznia).
Gdzie następuje rozkład tych substancji? (odpowiedź uczniów).
Na jakie substancje składają się te substancje?
Białka to aminokwasy
Tłuszcze - gliceryna
Węglowodany to skrobia.

Nauczyciel: Dziś trzeba wziąć pod uwagę rozkład węglowodanów.

3. Nowy motyw

Zapisywanie w zeszycie tematu lekcji.

Wyjaśnienie materiału.

Zagadnienia do dyskusji.

• Dlaczego widok pokrojonej cytryny powoduje ślinienie?
• Dlaczego nie zaleca się rozmawiania podczas jedzenia?

(Odpowiedzi są różne).

Nauczyciel pracuje przy tablicy, uczniowie piszą w zeszytach.
Co dzieje się w jamie ustnej?

Wypełnianie tabeli:

4. Mocowanie

1. Co dzieje się w jamie ustnej?

• Zatwierdzenie żywności (38 - 52 C).
• Mechaniczna obróbka żywności.
• Zwilżanie śliną.
• Dezynfekcja.
• Chemiczna obróbka żywności.
• Tworzenie bolusa pokarmowego.
• Przyjmowanie pokarmu.

2. Praca laboratoryjna.

„Działanie śliny na skrobię” za pomocą testu bezdętkowego ze śliną.
Przed lekcją uczniowie dostają na ławkach dwa kawałki wykrochmalonej gazy, zapałki, watę, szklankę czystej wody.
Studenci pokrótce opowiadają o enzymach trawiennych, rozpadzie skrobi w ustach i połykaniu.
W wyniku tej rozmowy uczniowie powinni powtórzyć właściwości ogólne enzymy:
1) Enzymy są katalizatorami i dlatego mogą przyspieszyć niektóre procesy.
2) Enzymy działają tylko na określone podłoża.
3) Enzymy mogą działać tylko w określonych warunkach temperaturowych iw określonym środowisku: kwaśnym, zasadowym, obojętnym.

4) Enzymy - białka po ugotowaniu ulegają zniszczeniu i tracą swoje właściwości enzymatyczne.

Właściwości enzymów trawiennych:

1) Enzymy ślinowe działają na węglowodany zawarte w ślinie, przekształcają skrobię w glukozę. Skrobia jest nierozpuszczalna, nie może zostać wchłonięta do krwi, ale glukoza jest wchłaniana.

2) Enzymy śliny działają na skrobię. Rozkładają te substancje na produkty, które mogą zostać wchłonięte do krwi i limfy.

Ćwiczenie. Udowodnij, że enzymy śliny są zdolne do rozkładu skrobi.

Wyniki eksperymentu w zeszycie.

Wniosek(robić notatki).

3. Czy stwierdzenia są prawdziwe:

1) W jamie ustnej następuje tylko mechaniczna obróbka żywności. (-)
2) Ślina jest uwalniana do jamy ustnej tylko podczas posiłków. (-)
3) Enzymy śliny rozkładają skrobię na glukozę. (+)
4) Ślina jest produkowana przez trzy pary gruczołów ślinowych. (+)
5) Enzymy spowalniają proces trawienia. (-)
6) Rozpad węglowodanów rozpoczyna się w jamie ustnej. (+)
7) Nagłośnia zapobiega przedostawaniu się pokarmu do Drogi lotnicze. (+)
8) Gruczoły ślinowe produkują enzymy rozkładające węglowodany. (+)
9) Lizozym powoduje korozję szkliwa. (-)
10) Każda szczęka ma 4 siekacze. (+)

5. Podsumowanie lekcji

6. Praca domowa

Jama ustna obejmuje przedsionek i jamę ustną właściwą. Przedsionek tworzą usta, zewnętrzna strona policzków, zęby i dziąsła. Wargi pokryte są od zewnątrz cienką warstwą nabłonka, od wewnątrz wyścielonego błoną śluzową, która jest kontynuacją wewnętrznej strony policzków. Szczelnie zakryj zęby, przyczepione do dziąseł za pomocą górnego i dolnego ogłowia.

Usta tworzą:

• błona śluzowa jamy ustnej;
• siekacze, kły, duże i małe trzonowce;
• gumy;
• język;
• podniebienie miękkie i twarde.

Ryż. 1. Budowa jamy ustnej.

Więcej szczegółów na temat budowy jamy ustnej przedstawiono w tabeli.

Ryż. 2. Struktura wewnętrzna ząb.

Funkcje

Główne funkcje jamy ustnej w procesie trawienia:

TOP 1 artykułkto czytał razem z tym

• rozpoznawanie smaku;
• mielenie stałej żywności;
• nadawanie temperatury ciała przychodzącym produktom;
• tworzenie bolusa pokarmowego;
• rozkład cukrów;
• ochrona przed wnikaniem drobnoustrojów chorobotwórczych.

Główną funkcję trawienia w jamie ustnej człowieka pełni ślina. Gruczoły ślinowe znajdujące się w błonie śluzowej nawilżają pokarm za pomocą wydzielonej śliny i języka, tworząc grudkę pokarmową.
Istnieją trzy pary dużych gruczołów:

• przyuszny;
• podżuchwowy;
• podjęzykowy.

Ryż. 3. Lokalizacja gruczołów ślinowych.

Ślina składa się w 99% z wody. Pozostały odsetek jest biologicznie substancje czynne wykazujące różne właściwości.
Ślina zawiera:

• lizozym - enzym przeciwbakteryjny;
• mucyna - lepka substancja białkowa, która wiąże cząsteczki jedzenia w jedną grudkę;
• amylaza i maltaza - enzymy rozkładające skrobię i inne cukry złożone.

Enzymy to związki białkowe, które przyspieszają reakcje chemiczne. Są katalizatorem rozpadu żywności.

Ślina zawiera niewielkie ilości innych enzymów katalitycznych, a także sole organiczne i mikroelementy.

Trawienie

Krótko opisz, jak następuje trawienie w jamie ustnej, w następujący sposób:

• kawałek jedzenia wchodzi do jamy przez siekacze;
• kosztem mięśnie do żucia trzymając szczękę, rozpoczyna się proces żucia;
• trzonowce mielą pokarm, który jest obficie zwilżony śliną;
• policzki, język i podniebienie twarde zwijają grudkę jedzenia;
• Miękkie podniebienie i język wpychają przygotowane jedzenie do gardła.

Pokarm wchodzący do jamy ustnej podrażnia receptory o różnym przeznaczeniu (temperaturowym, dotykowym, węchowym), które reagują produkcją śliny, soku żołądkowego, żółci.

Czego się nauczyliśmy?

Jama ustna ma ogromne znaczenie w procesie trawienia. Przez policzki, zęby, język, przychodzące jedzenie jest miażdżone i przemieszczane do gardła. Pokarm zwilżony śliną mięknie i skleja się w jedną grudkę pokarmu. Enzymy w ślinie rozpoczynają trawienie, rozkładając skrobię i inne cukry.

Quiz tematyczny

Ocena raportu

Średnia ocena: cztery . Łącznie otrzymane oceny: 440.