Ang pagpapalitan ng iba't ibang sangkap at enerhiya sa pagitan ng cell at ng panlabas na kapaligiran ay isang mahalagang kondisyon para sa pagkakaroon nito.
Upang mapanatili ang katatagan ng komposisyon ng kemikal at mga katangian ng cytoplasm sa mga kondisyon kung saan may mga makabuluhang pagkakaiba sa komposisyon ng kemikal at mga katangian ng panlabas na kapaligiran at ang cytoplasm ng cell, dapat mayroong mga espesyal na mekanismo ng transportasyon, piling nagpapalipat ng mga substance.
Sa partikular, ang mga cell ay dapat magkaroon ng mga mekanismo para sa paghahatid ng oxygen at nutrients mula sa kapaligiran at pag-alis ng mga metabolite dito. Ang mga gradient ng konsentrasyon ng iba't ibang mga sangkap ay umiiral hindi lamang sa pagitan ng cell at ng panlabas na kapaligiran, kundi pati na rin sa pagitan ng mga organel ng cell at cytoplasm, at ang mga daloy ng transportasyon ng mga sangkap ay sinusunod sa pagitan ng iba't ibang mga compartment ng cell.
Ang partikular na kahalagahan para sa pang-unawa at paghahatid ng mga signal ng impormasyon ay ang pagpapanatili ng pagkakaiba ng transmembrane sa mga konsentrasyon ng mga ion ng mineral. Na + , K + , Ca 2+. Ang cell ay gumugugol ng malaking bahagi ng metabolic energy nito sa pagpapanatili ng mga gradient ng konsentrasyon ng mga ion na ito. Ang enerhiya ng mga potensyal na electrochemical na nakaimbak sa mga gradient ng ion ay nagsisiguro ng patuloy na kahandaan ng cell plasma membrane upang tumugon sa stimuli. Ang pagpasok ng calcium sa cytoplasm mula sa intercellular na kapaligiran o mula sa cellular organelles ay nagsisiguro sa pagtugon ng maraming mga cell sa hormonal signal, kinokontrol ang paglabas ng mga neurotransmitters sa, at nag-trigger.
kanin. Pag-uuri ng mga uri ng transportasyon
Upang maunawaan ang mga mekanismo ng paglipat ng mga sangkap sa pamamagitan ng mga lamad ng cell, kinakailangang isaalang-alang ang parehong mga katangian ng mga sangkap na ito at ang mga katangian ng mga lamad. Ang mga transported substance ay naiiba sa molecular weight, charge transfer, solubility sa tubig, lipids, at ilang iba pang katangian. Ang plasma at iba pang mga lamad ay kinakatawan ng malalaking bahagi ng mga lipid, kung saan ang mga non-polar na sangkap na natutunaw sa taba ay madaling nagkakalat at ang mga sangkap na nalulusaw sa tubig at tubig na may likas na polar ay hindi dumaan. Para sa paggalaw ng transmembrane ng mga sangkap na ito, ang pagkakaroon ng mga espesyal na channel sa mga lamad ng cell ay kinakailangan. Ang transportasyon ng mga molekula ng mga polar substance ay nagiging mas mahirap kapag ang kanilang laki at singil ay tumaas (sa kasong ito, ang mga karagdagang mekanismo ng transportasyon ay kinakailangan). Ang paglipat ng mga sangkap laban sa konsentrasyon at iba pang mga gradient ay nangangailangan din ng pakikilahok ng mga espesyal na carrier at paggasta ng enerhiya (Larawan 1).
kanin. 1. Simple, pinadali ang pagsasabog at aktibong transportasyon ng mga sangkap sa mga lamad ng cell
Para sa paggalaw ng transmembrane ng mga high-molecular compound, supramolecular particle at mga bahagi ng cell na hindi makakapasok sa mga channel ng lamad, ginagamit ang mga espesyal na mekanismo - phagocytosis, pinocytosis, exocytosis, transportasyon sa pamamagitan ng mga intercellular space. Kaya, ang paggalaw ng transmembrane ng iba't ibang mga sangkap ay maaaring isagawa gamit ang iba't ibang mga pamamaraan, na kadalasang nahahati ayon sa pakikilahok ng mga espesyal na carrier sa kanila at pagkonsumo ng enerhiya. Mayroong pasibo at aktibong transportasyon sa mga lamad ng cell.
Passive na transportasyon— paglipat ng mga sangkap sa pamamagitan ng isang biomembrane kasama ang isang gradient (konsentrasyon, osmotic, hydrodynamic, atbp.) at walang pagkonsumo ng enerhiya.
Aktibong transportasyon- paglipat ng mga sangkap sa pamamagitan ng isang biomembrane laban sa isang gradient at may pagkonsumo ng enerhiya. Sa mga tao, 30-40% ng lahat ng enerhiya na nabuo sa panahon ng metabolic reaksyon ay ginugol sa ganitong uri ng transportasyon. Sa mga bato, 70-80% ng oxygen na natupok ay napupunta sa aktibong transportasyon.
Passive na transportasyon ng mga sangkap
Sa ilalim passive na transportasyon maunawaan ang paglipat ng isang sangkap sa pamamagitan ng mga lamad kasama ang iba't ibang mga gradients (electrochemical potential, konsentrasyon ng isang substance, electric field, osmotic pressure, atbp.), na hindi nangangailangan ng direktang paggasta ng enerhiya para sa pagpapatupad nito. Ang passive transport ng mga substance ay maaaring mangyari sa pamamagitan ng simple at facilitated diffusion. Ito ay kilala na sa ilalim pagsasabog maunawaan ang magulong paggalaw ng mga particle ng bagay sa iba't ibang kapaligiran, sanhi ng enerhiya ng mga thermal vibrations nito.
Kung ang molekula ng isang sangkap ay neutral sa kuryente, kung gayon ang direksyon ng pagsasabog ng sangkap na ito ay matutukoy lamang sa pamamagitan ng pagkakaiba (gradient) sa mga konsentrasyon ng sangkap sa media na pinaghihiwalay ng isang lamad, halimbawa, sa labas at sa loob ng cell o sa pagitan ng mga compartment nito. Kung ang molekula o mga ion ng isang substansiya ay may dalang de-koryenteng singil, kung gayon ang pagsasabog ay maaapektuhan ng parehong pagkakaiba sa konsentrasyon, ang halaga ng singil ng sangkap na ito, at ang presensya at tanda ng mga singil sa magkabilang panig ng lamad. Tinutukoy ng algebraic na kabuuan ng mga puwersa ng konsentrasyon at mga electrical gradient sa lamad ang magnitude ng electrochemical gradient.
Simpleng pagsasabog natupad dahil sa pagkakaroon ng mga gradient ng konsentrasyon ng isang tiyak na sangkap, singil sa kuryente o osmotic pressure sa pagitan ng mga gilid ng lamad ng cell. Halimbawa, ang average na nilalaman ng Na+ ions sa plasma ng dugo ay 140 mmol/l, at sa erythrocytes ito ay humigit-kumulang 12 beses na mas mababa. Ang pagkakaiba sa konsentrasyon (gradient) na ito ay lumilikha ng puwersang nagtutulak na nagpapahintulot sa sodium na lumipat mula sa plasma patungo sa mga pulang selula ng dugo. Gayunpaman, ang rate ng naturang paglipat ay mababa, dahil ang lamad ay may napakababang pagkamatagusin sa Na + ions. Ang pagkamatagusin ng lamad na ito sa potasa ay mas malaki. Ang mga proseso ng simpleng pagsasabog ay hindi kumonsumo ng enerhiya ng cellular metabolism.
Ang rate ng simpleng pagsasabog ay inilarawan ng Fick equation:
dm/dt = -kSΔC/x,
saan dm/ dt- ang dami ng sangkap na nagkakalat sa bawat yunit ng oras; kay- diffusion coefficient na nagpapakilala sa permeability ng lamad para sa isang diffusing substance; S- lugar ng ibabaw ng pagsasabog; ΔС— ang pagkakaiba sa mga konsentrasyon ng sangkap sa magkabilang panig ng lamad; X— distansya sa pagitan ng mga diffusion point.
Mula sa pagsusuri ng diffusion equation, malinaw na ang rate ng simpleng diffusion ay direktang proporsyonal sa gradient ng konsentrasyon ng isang substance sa pagitan ng mga gilid ng lamad, ang permeability ng lamad para sa isang partikular na substance, at ang diffusion surface area.
Malinaw na ang pinakamadaling sangkap na lumipat sa lamad sa pamamagitan ng pagsasabog ay ang mga sangkap na ang pagsasabog ay nangyayari sa parehong gradient ng konsentrasyon at gradient ng electric field. Gayunpaman, ang isang mahalagang kondisyon para sa pagsasabog ng mga sangkap sa pamamagitan ng mga lamad ay ang mga pisikal na katangian ng lamad at, lalo na, ang pagkamatagusin nito sa sangkap. Halimbawa, ang mga Na+ ions, ang konsentrasyon nito ay mas mataas sa labas ng cell kaysa sa loob nito, at ang panloob na ibabaw ng plasma membrane ay negatibong sisingilin, ay dapat na madaling kumalat sa cell. Gayunpaman, ang rate ng diffusion ng Na+ ions sa pamamagitan ng plasma membrane ng isang cell sa pahinga ay mas mababa kaysa sa K+ ions, na nagkakalat sa kahabaan ng concentration gradient palabas ng cell, dahil ang permeability ng lamad sa ilalim ng resting na kondisyon para sa K+ ions ay mas mataas kaysa sa Na+ ions.
Dahil ang mga hydrocarbon radical ng phospholipids na bumubuo sa bilayer ng lamad ay may mga hydrophobic na katangian, ang mga sangkap na may likas na hydrophobic, lalo na ang mga madaling matunaw sa mga lipid (steroid, thyroid hormone, ilang gamot, atbp.), ay madaling kumalat sa lamad. Ang mga low-molecular substance na may hydrophilic na kalikasan, ang mga mineral ions ay nagkakalat sa pamamagitan ng mga passive ion channel ng mga lamad na nabuo ng channel-forming na mga molekula ng protina, at, posibleng, sa pamamagitan ng mga depekto sa pag-iimpake sa lamad ng mga molekulang phospholipid na lumilitaw at nawawala sa lamad bilang resulta ng mga pagbabago sa thermal.
Ang pagsasabog ng mga sangkap sa mga tisyu ay maaaring mangyari hindi lamang sa pamamagitan ng mga lamad ng cell, kundi pati na rin sa pamamagitan ng iba pang mga istrukturang morphological, halimbawa, mula sa laway papunta sa tissue ng dentin ng ngipin sa pamamagitan ng enamel nito. Sa kasong ito, ang mga kondisyon para sa pagsasabog ay nananatiling pareho sa pamamagitan ng mga lamad ng cell. Halimbawa, para sa diffusion ng oxygen, glucose, at mineral ions mula sa laway patungo sa tissue ng ngipin, ang kanilang konsentrasyon sa laway ay dapat lumampas sa konsentrasyon sa tissue ng ngipin.
Sa ilalim ng normal na mga kondisyon, ang nonpolar at maliliit na neutral na mga molekulang polar ay maaaring dumaan sa phospholipid bilayer sa makabuluhang dami sa pamamagitan ng simpleng pagsasabog. Ang transportasyon ng makabuluhang dami ng iba pang mga polar molecule ay isinasagawa ng mga carrier protein. Kung ang transmembrane transition ng isang substance ay nangangailangan ng partisipasyon ng isang carrier, sa halip na ang terminong "diffusion" ay madalas na ginagamit ang termino. transportasyon ng isang sangkap sa isang lamad.
Pinadali ang pagsasabog, tulad ng simpleng "pagsasabog" ng isang sangkap, ay nangyayari kasama ang gradient ng konsentrasyon nito, ngunit hindi katulad ng simpleng pagsasabog, isang tiyak na molekula ng protina, isang carrier, ay kasangkot sa paglipat ng isang sangkap sa pamamagitan ng lamad (Larawan 2).
Pinadali ang pagsasabog ay isang uri ng passive transport ng mga ions sa pamamagitan ng biological membranes, na isinasagawa kasama ang isang gradient ng konsentrasyon gamit ang isang carrier.
Ang paglipat ng isang sangkap gamit ang isang carrier protein (transporter) ay batay sa kakayahan ng molekula ng protina na ito na isama sa lamad, tumagos dito at bumubuo ng mga channel na puno ng tubig. Ang carrier ay maaaring baligtarin na magbigkis sa transported substance at sa parehong oras ay baligtaran na baguhin ang conformation nito.
Ipinapalagay na ang carrier protein ay may kakayahang nasa dalawang conformational states. Halimbawa, sa isang estado A ang protina na ito ay may kaugnayan para sa transported substance, ang substance binding sites nito ay nakabukas papasok at ito ay bumubuo ng butas na bukas sa isang gilid ng lamad.
kanin. 2. Pinadali ang pagsasabog. Paglalarawan sa teksto
Ang pagkakaroon ng pakikipag-ugnay sa sangkap, binabago ng protina ng carrier ang conform nito at pumapasok sa estado 6 . Sa panahon ng pagbabagong ito ng conformational, nawawala ang pagkakaugnay ng carrier sa substance na dinadala; ito ay inilabas mula sa koneksyon nito sa carrier at inilipat sa isang butas sa kabilang panig ng lamad. Pagkatapos nito, ang protina ay bumalik sa estado a muli. Ang paglipat na ito ng isang sangkap sa pamamagitan ng isang transporter na protina sa isang lamad ay tinatawag uniport.
Sa pamamagitan ng facilitated diffusion, ang mga low-molecular substance tulad ng glucose ay maaaring madala mula sa interstitial space papunta sa mga cell, mula sa dugo papunta sa utak, ilang amino acid at glucose ay maaaring ma-reabsorbed mula sa pangunahing ihi papunta sa dugo sa renal tubules, at amino acids at ang monosaccharides ay maaaring makuha mula sa bituka. Ang rate ng transportasyon ng mga sangkap sa pamamagitan ng pinadali na pagsasabog ay maaaring umabot ng hanggang 10 8 mga particle bawat segundo sa pamamagitan ng channel.
Kabaligtaran sa rate ng paglipat ng isang sangkap sa pamamagitan ng simpleng pagsasabog, na direktang proporsyonal sa pagkakaiba sa mga konsentrasyon nito sa magkabilang panig ng lamad, ang rate ng paglipat ng isang sangkap sa panahon ng pinadali na pagsasabog ay tumataas sa proporsyon sa pagtaas ng pagkakaiba. sa mga konsentrasyon ng sangkap hanggang sa isang tiyak na pinakamataas na halaga, kung saan hindi ito tumataas, sa kabila ng pagtaas ng pagkakaiba sa mga konsentrasyon ng sangkap sa magkabilang panig ng lamad. Ang pagkamit ng pinakamataas na bilis (saturation) ng paglipat sa proseso ng pinadali na pagsasabog ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng katotohanan na sa pinakamataas na bilis ang lahat ng mga molekula ng mga protina ng carrier ay kasangkot sa paglipat.
Exchange diffusion- sa ganitong uri ng transportasyon ng mga sangkap, ang isang pagpapalitan ng mga molekula ng parehong sangkap na matatagpuan sa iba't ibang panig ng lamad ay maaaring mangyari. Ang konsentrasyon ng sangkap sa bawat panig ng lamad ay nananatiling hindi nagbabago.
Ang isang uri ng exchange diffusion ay ang pagpapalitan ng isang molekula ng isang substance para sa isa o higit pang mga molecule ng isa pang substance. Halimbawa, sa makinis na mga selula ng kalamnan ng mga daluyan ng dugo at bronchi, sa mga contractile myocytes ng puso, ang isa sa mga paraan upang alisin ang mga Ca 2+ ions mula sa mga selula ay ang pagpapalit sa kanila ng mga extracellular Na+ ions. Para sa bawat tatlong papasok na Na+ ion, isang Ca 2+ ion ang inaalis mula sa cell. Ang isang interdependent (kaisa) na paggalaw ng Na+ at Ca2+ sa pamamagitan ng lamad sa magkasalungat na direksyon ay nalikha (ang ganitong uri ng transportasyon ay tinatawag na antiport). Kaya, ang cell ay napalaya mula sa labis na Ca 2+ ions, na isang kinakailangang kondisyon para sa pagpapahinga ng makinis na myocytes o cardiomyocytes.
Aktibong transportasyon ng mga sangkap
Aktibong transportasyon sa pamamagitan ng mga sangkap ay ang paglipat ng mga sangkap laban sa kanilang mga gradient, na isinasagawa sa paggasta ng metabolic energy. Ang ganitong uri ng transportasyon ay naiiba sa passive na transportasyon dahil ang transportasyon ay nangyayari hindi kasama ang isang gradient, ngunit laban sa mga gradient ng konsentrasyon ng isang sangkap, at ginagamit nito ang enerhiya ng ATP o iba pang mga uri ng enerhiya para sa paglikha ng kung saan ang ATP ay dating ginugol. Kung ang direktang pinagmumulan ng enerhiya na ito ay ATP, kung gayon ang nasabing paglipat ay tinatawag na pangunahing aktibo. Kung ang enerhiya (konsentrasyon, kemikal, electrochemical gradients) na dati nang nakaimbak dahil sa pagpapatakbo ng mga ion pump na kumonsumo ng ATP ay ginagamit para sa transportasyon, kung gayon ang naturang transportasyon ay tinatawag na pangalawang aktibo, pati na rin ang conjugate. Ang isang halimbawa ng pinagsama, pangalawang aktibong transportasyon ay ang pagsipsip ng glucose sa bituka at ang reabsorption nito sa mga bato na may partisipasyon ng mga Na ions at GLUT1 transporter.
Salamat sa aktibong transportasyon, ang mga puwersa ng hindi lamang konsentrasyon, kundi pati na rin ang mga elektrikal, electrochemical at iba pang mga gradient ng isang sangkap ay maaaring madaig. Bilang isang halimbawa ng pagpapatakbo ng pangunahing aktibong transportasyon, maaari nating isaalang-alang ang pagpapatakbo ng Na+ -, K+ -pump.
Ang aktibong transportasyon ng Na + at K + ions ay sinisiguro ng isang protina na enzyme - Na + -, K + -ATPase, na may kakayahang sirain ang ATP.
Ang protina ng Na K-ATPase ay matatagpuan sa cytoplasmic membrane ng halos lahat ng mga cell ng katawan, na nagkakahalaga ng 10% o higit pa sa kabuuang nilalaman ng protina sa cell. Higit sa 30% ng kabuuang metabolic energy ng cell ang ginugugol sa pagpapatakbo ng pump na ito. Ang Na + -, K + -ATPase ay maaaring nasa dalawang conformational states - S1 at S2. Sa estado ng S1, ang protina ay may affinity para sa Na ion at 3 Na ion ay nakakabit sa tatlong high-affinity binding site na nakaharap sa cell. Ang pagdaragdag ng Na" ion ay nagpapasigla sa aktibidad ng ATPase, at bilang isang resulta ng ATP hydrolysis, Na+ -, K+ -ATPase ay phosphorylated dahil sa paglipat ng isang phosphate group dito at nagsasagawa ng conformational transition mula sa estado ng S1 patungo sa S2 estado (Larawan 3).
Bilang resulta ng mga pagbabago sa spatial na istraktura ng protina, ang mga nagbubuklod na site para sa mga Na ions ay bumaling sa panlabas na ibabaw ng lamad. Ang pagkakaugnay ng mga nagbubuklod na site para sa mga Na+ ions ay bumababa nang husto, at ito, na inilabas mula sa bono sa protina, ay inilipat sa extracellular space. Sa conformational state S2, ang affinity ng Na+ -, K-ATPase center para sa K ions ay tumataas at sila ay nag-attach ng dalawang K ion mula sa extracellular na kapaligiran. Ang pagdaragdag ng mga K ion ay nagdudulot ng dephosphorylation ng protina at ang reverse conformational transition nito mula sa estado ng S2 patungo sa estado ng S1. Kasama ang pag-ikot ng mga nagbubuklod na sentro sa panloob na ibabaw ng lamad, dalawang K ion ay inilabas mula sa kanilang koneksyon sa carrier at inilipat sa loob. Ang ganitong mga siklo ng paglipat ay paulit-ulit sa isang rate na sapat upang mapanatili sa isang resting cell ang hindi pantay na pamamahagi ng mga Na+ at K+ ions sa cell at ang intercellular medium at, bilang kinahinatnan, upang mapanatili ang isang medyo pare-pareho ang potensyal na pagkakaiba sa lamad ng mga excitable na mga cell.
kanin. 3. Eskematiko na representasyon ng pagpapatakbo ng Na+ -, K + -pump
Ang sangkap na strophanthin (ouabain), na nakahiwalay sa planta ng foxglove, ay may tiyak na kakayahang harangan ang Na + -, K + - pump. Matapos ang pagpapakilala nito sa katawan, bilang isang resulta ng pagharang sa pumping ng Na+ ion mula sa cell, ang isang pagbawas sa kahusayan ng Na+ -, Ca 2 -exchange na mekanismo at akumulasyon ng Ca 2+ ions sa contractile cardiomyocytes ay sinusunod. Ito ay humahantong sa pagtaas ng myocardial contraction. Ang gamot ay ginagamit upang gamutin ang kakulangan ng pumping function ng puso.
Bilang karagdagan sa Na "-, K + -ATPase, mayroong ilang iba pang mga uri ng transport ATPase, o ion pump. Kabilang sa mga ito, isang bomba na nagdadala ng mga hydrogen gas (cell mitochondria, renal tubular epithelium, parietal cells ng tiyan); pump (pacemaker at contractile cells ng puso, muscle cells ng striated at makinis na mga kalamnan). Halimbawa, sa mga cell ng skeletal muscles at myocardium, ang Ca 2+ -ATPase protein ay itinayo sa mga lamad ng sarcoplasmic reticulum at, salamat sa trabaho nito, nagpapanatili ng mataas na konsentrasyon ng Ca 2+ ions sa mga intracellular storage nito (cisterns, longitudinal tubules ng sarcoplasmic reticulum).
Sa ilang mga cell, ang mga puwersa ng transmembrane electrical potential difference at ang sodium concentration gradient, na nagreresulta mula sa pagpapatakbo ng Na+, Ca 2+ pump, ay ginagamit upang magsagawa ng pangalawang aktibong uri ng paglipat ng mga sangkap sa buong cell membrane.
Pangalawang aktibong transportasyon nailalarawan sa pamamagitan ng katotohanan na ang paglipat ng isang sangkap sa buong lamad ay isinasagawa dahil sa gradient ng konsentrasyon ng isa pang sangkap, na nilikha ng mekanismo ng aktibong transportasyon na may paggasta ng enerhiya ng ATP. Mayroong dalawang uri ng pangalawang aktibong transportasyon: symport at antiport.
Simport tinatawag na paglipat ng isang sangkap, na nauugnay sa sabay-sabay na paglipat ng isa pang sangkap sa parehong direksyon. Ang mekanismo ng symport ay nagdadala ng yodo mula sa extracellular space patungo sa thyrocytes ng thyroid gland, glucose at amino acids kapag sila ay nasisipsip mula sa maliit na bituka patungo sa mga enterocytes.
Antiport tinatawag na paglipat ng isang sangkap, na nauugnay sa sabay-sabay na paglipat ng isa pang sangkap, ngunit sa kabaligtaran ng direksyon. Ang isang halimbawa ng mekanismo ng paglilipat ng antiporter ay ang gawain ng naunang nabanggit na Na + -, Ca 2+ - exchanger sa cardiomyocytes, K + -, H + - mekanismo ng palitan sa epithelium ng renal tubules.
Mula sa mga halimbawa sa itaas ay malinaw na ang pangalawang aktibong transportasyon ay isinasagawa sa pamamagitan ng paggamit ng gradient forces ng Na+ ions o K+ ions. Ang Na+ ion o K ion ay gumagalaw sa lamad patungo sa mas mababang konsentrasyon nito at humihila ng isa pang sangkap kasama nito. Sa kasong ito, karaniwang ginagamit ang isang partikular na protina ng carrier na nakapaloob sa lamad. Halimbawa, ang transportasyon ng mga amino acid at glucose kapag sila ay nasisipsip mula sa maliit na bituka papunta sa dugo ay nangyayari dahil sa ang katunayan na ang lamad carrier protina ng epithelium ng bituka pader ay nagbubuklod sa amino acid (glucose) at ang Na + ion at pagkatapos ay babaguhin lamang ang posisyon nito sa lamad sa paraang dinadala nito ang amino acid ( glucose) at Na+ ion sa cytoplasm. Upang maisagawa ang naturang transportasyon, kinakailangan na ang konsentrasyon ng Na+ ion sa labas ng cell ay mas malaki kaysa sa loob, na sinisiguro ng patuloy na gawain ng Na+, K+ - ATPase at ang paggasta ng metabolic energy.
Pagsipsip ng monosaccharides sa bituka
Ang pagsipsip ng monosaccharides mula sa bituka ay nangyayari sa pamamagitan ng pinadali na pagsasabog sa tulong ng mga espesyal na protina ng carrier (transporter). Bilang karagdagan, ang glucose at galactose ay dinadala sa mga enterocytes sa pamamagitan ng pangalawang aktibong transportasyon, na nakasalalay sa gradient ng konsentrasyon ng sodium ion. Tinitiyak ng Na + gradient-dependent transporter proteins ang pagsipsip ng glucose mula sa lumen ng bituka papunta sa enterocyte laban sa gradient ng konsentrasyon. Ang konsentrasyon ng Na + na kinakailangan para sa transportasyong ito ay ibinibigay ng Na + , K + -ATPase, na gumagana tulad ng isang pump, na nagbobomba ng Na + palabas ng cell bilang kapalit ng K +. Hindi tulad ng glucose, ang fructose ay dinadala ng isang sistemang independiyente sa sodium gradient. Sa iba't ibang mga konsentrasyon ng glucose sa lumen ng bituka, gumagana ang iba't ibang mga mekanismo ng transportasyon. Salamat sa aktibong transportasyon, ang mga epithelial cell ng bituka ay maaaring sumipsip ng glucose sa napakababang konsentrasyon sa lumen ng bituka. Kung ang konsentrasyon ng glucose sa lumen ng bituka ay mataas, maaari itong dalhin sa cell sa pamamagitan ng pinadali na pagsasabog. Ang fructose ay maaari ding masipsip sa parehong paraan. Ang rate ng pagsipsip ng glucose at galactose ay mas mataas kaysa sa iba pang monosaccharides.
Ang pagkuha ng glucose ng mga selula mula sa daluyan ng dugo ay nangyayari rin sa pamamagitan ng pinadali na pagsasabog. Dahil dito, ang rate ng daloy ng transmembrane na glucose ay nakasalalay lamang sa gradient ng konsentrasyon nito. Ang pagbubukod ay ang mga selula ng kalamnan at adipose tissue, kung saan ang pinadali na pagsasabog ay kinokontrol ng insulin.
Mga transporter ng glucose(GLUT) ay matatagpuan sa lahat ng mga tisyu. Mayroong ilang mga uri ng mga GLUT, na binibilang ayon sa pagkakasunud-sunod kung saan sila natuklasan. Ang inilarawan na 5 uri ng mga GLUT ay may katulad na pangunahing istraktura at organisasyon ng domain. Tinitiyak ng GLUT-1 ang isang matatag na daloy ng glucose sa utak. Ang GLUT-2 ay matatagpuan sa mga selula ng mga organo na naglalabas ng glucose sa dugo (atay, bato). Ito ay kasama ng paglahok ng GLUT-2 na ang glucose ay pumapasok sa dugo mula sa mga enterocytes at atay. Ang GLUT-2 ay kasangkot sa transportasyon ng glucose sa pancreatic β-cells. Ang GLUT-3 ay matatagpuan sa maraming mga tisyu at may higit na kaugnayan sa glucose kaysa sa GLUT-1. Tinitiyak din nito ang patuloy na daloy ng glucose sa mga selula ng nerbiyos at iba pang mga tisyu. Ang GLUT-4 ay ang pangunahing transporter ng glucose sa mga selula ng kalamnan at adipose tissue. Ang GLUT-5 ay pangunahing matatagpuan sa mga selula ng maliit na bituka. Ang mga pag-andar nito ay hindi kilala.
Ang lahat ng mga uri ng GLUT ay maaaring matatagpuan pareho sa lamad ng plasma at sa mga cytosolic vesicle. Ang GLUT-4 (sa mas mababang lawak ay GLUT-1) ay halos lahat ay matatagpuan sa cytoplasm ng cell. Ang epekto ng insulin sa naturang mga selula ay humahantong sa paggalaw ng mga vesicle na naglalaman ng GLUT sa lamad ng plasma, pagsasanib dito at ang pagpasok ng mga transporter sa lamad. Pagkatapos nito, posible ang pinadali na transportasyon ng glucose sa mga cell na ito. Matapos bumaba ang konsentrasyon ng insulin sa dugo, ang mga transporter ng glucose ay lumipat muli sa cytoplasm, at huminto ang daloy ng glucose sa cell.
Ang glucose ay pumapasok sa mga selula ng atay na may partisipasyon ng GLUT-2, anuman ang insulin. Kahit na ang insulin ay hindi nakakaapekto sa transportasyon ng glucose, pinapataas nito ang pag-agos ng glucose sa hepatocyte sa panahon ng panunaw nang hindi direkta sa pamamagitan ng pag-udyok sa synthesis ng glucokinase at sa gayon ay pinabilis ang glucose phosphorylation.
Ang transportasyon ng glucose mula sa pangunahing ihi sa renal tubular cells ay nangyayari sa pamamagitan ng pangalawang aktibong transportasyon. Dahil dito, ang glucose ay maaaring makapasok sa mga tubular na selula kahit na ang konsentrasyon nito sa pangunahing ihi ay mas mababa kaysa sa mga selula. Ang glucose ay muling sinisipsip mula sa pangunahing ihi ng halos ganap (99%) sa dulong bahagi ng mga tubule.
Ang iba't ibang mga kaguluhan sa paggana ng mga transporter ng glucose ay kilala. Ang isang minanang depekto sa mga protina na ito ay maaaring sumasailalim sa di-insulin-dependent na diabetes mellitus.
Maaaring pumasok ang glucose sa mga selula ng mga tisyu ng katawan alinman sa exogenously mula sa pagkain o nabuo nang endogenously mula sa nakaimbak na glycogen (bilang resulta ng glycogenolysis) o mula sa iba pang mga substrate tulad ng lactate, glycerol, amino acids (bilang resulta ng gluconeogenesis). Ang glucose na nasisipsip sa maliit na bituka ay pumapasok sa atay sa pamamagitan ng portal vein at pumapasok sa mga hepatocytes. Sa likas na katangian nito, ang glucose ay isang hydrophilic substance, samakatuwid hindi ito malayang dumaan sa phospholipid membrane. Ang mekanismo ng transportasyon nito ay isinasagawa gamit ang mga protina ng carrier. Kapag pinasigla ng insulin, ang isang pagtaas sa nilalaman ng mga protina na ito sa mga lamad ng plasma ay sinusunod ng 5-10 beses, habang ang kanilang nilalaman ay bumababa ng 50-60% sa loob ng cell. Upang pasiglahin ang paggalaw ng mga protina ng carrier patungo sa lamad, kinakailangan ang karagdagang nakapagpapasigla na epekto ng insulin. Sa ngayon, dalawang klase ng mga transporter ng glucose ang natukoy:
Na-glucose cotransporter, na ipinahayag ng mga espesyal na ciliated epithelial cells ng maliit na bituka at ang proximal na bato. Ang protina na ito ay aktibong naghahatid ng glucose mula sa lumen ng bituka o nephron laban sa isang gradient ng konsentrasyon sa pamamagitan ng pagbubuklod ng glucose sa mga sodium ions na dinadala sa ibaba ng gradient ng konsentrasyon.
· Sariling mga tagapagdala ng glucose. Ito ay mga protina ng lamad na matatagpuan sa ibabaw ng lahat ng mga selula at nagdadala ng glucose sa ibaba ng gradient ng konsentrasyon. Ang mga transporter ng glucose ay nagdadala ng glucose hindi lamang sa cell, kundi pati na rin sa labas ng cell at kasangkot din sa intracellular na paggalaw ng glucose. Sa kasalukuyan, 6 na transport protein para sa glucose - GluT - ang inilarawan.
Sa mga cell, ang glucose ay phosphorylated sa hexokinase reaction, nagiging glucose-6-phosphate (Gl-6-P). Ang Gl-6-P ay isang substrate ng ilang metabolic pathway: glycogen synthesis, ang pentose phosphate cycle, glycolytic breakdown sa lactate, o aerobic metabolism ay nagsisimula sa molekulang ito na kumpletong pagkasira sa CO 2 at H 2 O. Sa mga selulang may kakayahang gluconeogenesis (mga selula ng atay, bato, bituka), ang Gl-6-P ay maaaring ma-dephosphorylated at pumasok sa dugo sa anyo ng libreng glucose at madadala sa ibang mga organo at tisyu.
Ang glucose ay lalong mahalaga para sa mga selula ng utak. Ang mga cell ng nervous system ay nakasalalay sa glucose bilang kanilang pangunahing substrate ng enerhiya. Kasabay nito, walang mga reserba ng glucose sa utak, hindi ito na-synthesize doon, ang mga neuron ay hindi maaaring kumonsumo ng mga substrate ng enerhiya maliban sa glucose at ketone na katawan, ang glucose ay maaaring halos ganap na maubos mula sa extracellular fluid, dahil ang mga selula ng nerbiyos. sistema ay kumonsumo ng glucose sa isang insulin-independent na paraan.
Glycogen. Mula sa Gl-6-P, bilang isang resulta ng pinagsamang pagkilos ng glycogen synthetase at isang "branching" enzyme, ang glycogen ay synthesized - isang polimer na kahawig ng isang puno sa hitsura. Ang isang molekula ng glycogen ay maaaring maglaman ng hanggang isang milyong monosaccharides. Sa kasong ito, nangyayari ang crystallization ng glycogen at wala itong osmotic effect. Ang form na ito ay angkop para sa imbakan sa isang hawla. Kung ang maraming mga molekula ng glucose ay natunaw, ang selula ay masisira dahil sa mga puwersa ng osmotic. Ang glycogen ay ang nakaimbak na anyo ng glucose at enerhiya. Ito ay matatagpuan sa halos lahat ng mga tisyu, sa mga selula ng sistema ng nerbiyos na ito ay minimal, at sa atay at kalamnan ay lalo itong sagana. Ang glycogen ay naglalaman lamang ng 2 uri ng glycosidic bond: a(1®4)-type at a(1®6)-type. Ang a(1®4)-type bond ay nabubuo tuwing 8-10 D-glucose residues (Figure 4).
Glycogenolysis. Ito ang paraan ng pagkasira ng glycogen. Ang glycogen sa katawan ay pangunahing nakaimbak sa atay at mga kalamnan ng kalansay. Ang muscle glycogen ay ginagamit bilang isang mapagkukunan ng enerhiya sa panahon ng matinding pisikal na aktibidad. Ang Glycogenolysis sa atay ay isinaaktibo bilang tugon sa pagbaba ng glucose sa panahon ng mga break sa pagkain o bilang tugon sa stress. Ang mga pangunahing hormone na nagpapagana ng glycogenolysis ay glucagon, adrenaline (epinephrine) at cortisol (Talahanayan 2).
talahanayan 2
Ang Glycogenolysis ay nagsisimula sa cleavage ng terminal glucose residues sa a(1®4) bonds; sa prosesong ito, ang pangunahing enzyme ay glycogen phosphorylase (Fig. 5). Ang pag-activate ng phosphorylase ay isinasagawa sa pamamagitan ng phosphorylation na may partisipasyon ng cAMP-dependent protein kinase at phosphorylase kinase. Ang phosphorylase activation ay kinokontrol ng catecholamines (liver, muscles) at glucagon (liver). Ang mga hormone na ito ay nagtataguyod ng pagkasira ng glycogen sa atay at sa gayon ay ang hyperglycemic na tugon. Ang produkto ng reaksyon ng phosphorylase ay glucose-1-phosphate (G-1-P), na na-convert sa G-6-P na may partisipasyon ng enzyme phosphoglucomutase. Sa atay, ang glucose ay nabuo mula sa G-6-P at G-1-P na may partisipasyon ng mga enzyme na G-6-Ptase at G-1-Ptase, ayon sa pagkakabanggit. Ang enzyme phosphorylase ay tiyak lamang para sa isang(1®4) na mga bono. Sinisira nito ang glycogen hanggang sa mananatili ang 3-4 na residue ng carbohydrate sa dulo ng sanga. Pagkatapos ay kumikilos ang isang enzyme complex ng transglucosylase at glucosidase. Ang una sa mga enzyme na ito ay naglilipat (nagsasalin) ng maikling bahagi ng mga nalalabi sa carbohydrate sa dulo ng a(1®4) chain, ang pangalawa ay nag-alis ng glucose sa a(1®6) bond. Ang cycle na kinasasangkutan ng phosphorylase at isang enzyme complex na sumisira sa mga sanga ng glycogen ay nauulit. Humigit-kumulang 90% ng glucose ang inilalabas mula sa glycogen sa anyo ng G-1-P sa pagkasira ng a(1®4) bond, 10% sa anyo ng libreng glucose sa pagkasira ng a(1®6) bond. Maaaring mabuo ang glucose mula sa glycogen na may partisipasyon ng amylo-1,6-glucosidase, na pumuputol sa mga side chain ng glycogen.
|
Mga glycogenoses. Ito ay isang pangkat ng mga namamana na sakit na nauugnay sa mga depekto ng enzyme kung saan ang pagkasira ng glycogen ay may kapansanan (Larawan 5) at, sa kabila ng malaking supply ng glycogen sa mga organo, ang hypoglycemia ay bubuo sa mga may sakit na bata (Talahanayan 3).
Talahanayan 3.
| Glycogenosis - mga sakit ng pag-iimbak ng glycogen | |||
| Uri | Pangalan ng sakit | Depekto ng enzyme | Structural at clinical manifestations ng depekto |
| ako | kay von Gierke | glucose-6-phosphatase | matinding postabsorption hypoglycemia, lactic acidosis, hyperlipidemia |
| II | kay Pompe | lysosomal a-glucosidase | glycogen granules sa lysosomes |
| III | Cori's (Corey) | transglucosylase/glucosidase | binago ang istraktura ng glycogen, hypoglycemia |
| IV | Andersen's (Andersen) | sumasanga enzyme | binago ang istraktura ng glycogen |
| V | McArdle's (McArdle) | phosphorylase ng kalamnan | glycogen deposition sa mga kalamnan, cramps sa panahon ng ehersisyo |
| VI | Sa kanya' (Heru) | phosphorylase sa atay | hypoglycemia, ngunit hindi kasinglubha tulad ng sa uri I |
Ang sakit na Gierke (type I glycogenosis) ay ang pinaka-pinag-aralan; sa sakit na ito, ang pagkasira ng glycogen ay naharang dahil sa kawalan ng enzyme glucose-6-phosphatase, ang istraktura ng glycogen ay normal. Ang pagbuo ng libreng glucose ay may kapansanan, at maraming lactate ang nabuo. Ang hypoglycemia ay humahantong sa pag-activate ng metabolismo ng taba, ang oksihenasyon ng lipid ay sinamahan ng pagbuo ng mga katawan ng ketone. Ang hypoglycemia ay malinaw na nagpapakita ng sarili kapag tinutukoy ang glucose ng dugo gamit ang glucose oxidase at hexokinase na mga pamamaraan, habang ginagamit ang pamamaraang Hagedorn reductometric, dahil sa pagkakaroon ng pagbabawas ng mga sangkap sa dugo, ang mga resulta ng pagpapasiya ng glucose ay makabuluhang nabaluktot. Ang adrenaline at glucagon test ay may malaking halaga, dahil ang adrenaline at glucagon ay hindi nagpapataas ng blood glucose level dahil sa kawalan ng kakayahan ng atay na magbigay ng libreng glucose mula sa glycogen.
KASAYSAYAN NG KASO Blg. 1
SAKIT NI GIERKE (GLYCOGENOSIS DAHIL SA G-6-PHASE DEFICIENCY)
Ang isang 6 na buwang gulang na batang babae ay palaging pabagu-bago, mukhang may sakit, mabilis na pagod, inaantok, madalas na may mga digestive disorder, at nagkaroon ng makabuluhang pagpapalaki ng kanyang atay.
Pagsusuri sa laboratoryo:
Glucose sa dugo (1 oras pagkatapos ng pagpapakain) - 3.5 mmol/l (saklaw ng sanggunian "5 mmol/l)
4 na oras pagkatapos ng pagpapakain, laban sa background ng mga palatandaan ng isang masakit na kondisyon na may pulso na 110 bawat minuto, ang antas ng glucose ay 2 mmol / l. Naibsan ang mga sintomas pagkatapos kumain. Ang biopsy sa atay ay nagpakita ng napakalaking deposito ng glycogen sa cytoplasm ng mga hepatocytes.
Ang isang diagnosis ng sakit na Gierke ay ginawa. Kasama sa paggamot ang madalas na pagpapakain na may pinababang paggamit ng carbohydrate at pagpapakain sa pamamagitan ng nasogastric tube sa gabi.
KASAYSAYAN NG KASO Blg. 2
MCARDLE'S DISEASE (GLYCOGENosis NA MAY NABAWASAN NA LAKAS NG MUSCLE)
Isang 30-taong-gulang na lalaki ang kumunsulta sa isang manggagamot para sa talamak na pananakit ng kalamnan sa kanyang mga binti at braso at pulikat habang nag-eehersisyo. Siya ay may kahinaan sa kalamnan, kaya hindi siya naglaro ng sports. Hindi nagbago ang kondisyon hanggang sa nagpasya siyang palakasin ang kanyang mga kalamnan sa pamamagitan ng paglalaro ng sports. Sa patuloy na pisikal na ehersisyo, ang sakit, bilang panuntunan, ay nawala pagkatapos ng 15-30 minuto ng pagsasanay, at maaari siyang magpatuloy sa ehersisyo.
Pagsusuri sa laboratoryo:
Nalaman ng isang pag-aaral sa laboratoryo na sa panahon ng katamtamang pisikal na aktibidad, ang antas ng glucose sa dugo ay normal, ngunit ang aktibidad ng MM fraction ng creatine kinase (MM-CK) ay nadagdagan, na nagpapahiwatig ng pinsala sa kalamnan. Sa matinding muscular work, ang antas ng glucose sa dugo ay bahagyang bumaba, ngunit ang antas ng lactate ay bumaba rin. Ang biopsy ay nagpakita ng hindi pangkaraniwang mataas na nilalaman ng glycogen sa mga kalamnan, na nagpapahiwatig ng sakit sa pag-iimbak ng glycogen.
Pagtalakay:
Sa unang panahon ng pagkarga ng kalamnan, ang glucose, na nabuo mula sa nabubulok na glycogen, ay palaging nagsisimulang masinsinang natupok. Gayunpaman, sa panahon ng mga kombulsyon na nangyayari sa panahon ng utang ng oxygen, bilang isang resulta ng pag-activate ng glycolysis, ang pagbuo ng pyruvate ay dapat mangyari, na nagiging lactate at pumapasok sa dugo. Sa parehong kaso, walang pagtaas sa lactate, na nagpapatunay ng isang paglabag sa pagpapakilos ng glycogen ng kalamnan. Ang pagtigil ng pananakit ng kalamnan 0.5 oras pagkatapos ng ehersisyo ay ipinaliwanag ng isang physiological reaction na dulot ng adrenaline na inilabas sa panahon ng ehersisyo, na nagtataguyod ng supply ng glucose at fatty acid mula sa dugo patungo sa mga kalamnan, na binabayaran ang hindi sapat na supply ng glucose mula sa muscle glycogen.
Glycolysis. Sa ilalim ng anaerobic na kondisyon, ang glyclysis ay ang pangunahing metabolic pathway para sa pagkasira ng glucose. Sa prosesong ito, ang pagkasira ng 1 glucose molecule ay gumagawa ng 2 ATP molecule at 2 pyruvate molecule. Sa mga tisyu kung saan ang synthesis ng ATP ay hindi ganap na natiyak dahil sa oxidative phosphorylation, ang glucose ang pangunahing pinagkukunan ng enerhiya. Sa panahon ng matinding muscular work sa mga kalamnan, ang mga carbohydrates ay hinahati sa lactate, na nagiging sanhi ng tinatawag na oxygen debt at humahantong sa intracellular acidification. Ang isang bilang ng mga gamot, sa partikular na mga biguanides at unang henerasyong sulfonylureas, ay nagpapagana ng glycolysis, kaya sa diyabetis maaari silang maging karagdagang mga kadahilanan na nag-aambag sa pagbuo ng lactic acidosis. Kaugnay nito, kasama ang pagpapasiya ng mga parameter ng CBS at mga gas ng dugo, inirerekomenda na matukoy ang lactate sa mga pasyente na may pagbuo ng hypoxia sa mga express laboratories sa mga intensive care unit. Ang mga inhibitor ng glycolysis ay monoiodoacetate at NaF - makapangyarihang mga lason. Sa mga erythrocytes, ang glycolysis at ang pentose phosphate cycle ay ang pangunahing mga daanan para sa paggamit ng glucose; mataas ang kanilang intensity; samakatuwid, kapag tinutukoy ang glucose, hindi inirerekomenda na mag-iwan ng clot na may serum o sukatin ang glucose sa EDTA-stabilized na dugo pagkatapos ng higit sa 1 oras. Kung kinakailangan upang mag-imbak ng dugo, inirerekumenda na gumamit ng monoiodoacetate o NaF bilang isang inhibitor ng glycolysis.
Aerobic oksihenasyon ng glucose. Ang glucose ay isa sa mga pangunahing substrate ng enerhiya sa katawan. Ang rate ng oksihenasyon nito sa pamamahinga sa walang laman na tiyan ay humigit-kumulang 140 mg/kg ng timbang ng katawan sa loob ng 1 oras. Ang ilang mahahalagang organo, lalo na ang cerebral cortex, ay gumagamit ng glucose na eksklusibo bilang isang substrate ng enerhiya. Sa panahon ng oksihenasyon, ito ay na-convert sa pamamagitan ng glycolytic metabolic pathway sa pyruvate, na pumapasok sa mitochondria, kung saan ito ay decarboxylated sa acetyl-coA. Ang karagdagang oksihenasyon ay nangyayari sa Krebs cycle at ang proseso ng oxidative phosphorylation, kung saan ang ATP ay synthesize at ang endogenous na tubig ay nabuo. Ito ang pangunahing paraan ng pagbuo ng enerhiya: Ang 1 molekula ng glucose sa proseso ng aerobic oxidation ay ginagawang posible na mag-synthesize ng 19 beses na mas maraming ATP kaysa sa panahon ng glycolysis, iyon ay, 38 molekula ng ATP. Ang oksihenasyon ng glucose sa ilalim ng mga kondisyon ng aerobic ay ang pinaka-epektibo paraan ng paggamit ng oxygen para sa pangangailangan ng enerhiya. Ang kahusayan ng basal metabolism ay pinakamataas kapag ang glucose ay na-oxidized, na ginagawa itong mahalagang bahagi ng parenteral na nutrisyon.
Pentose phosphate shunt. Ang biological na papel ng siklo na ito ay ang pagbuo ng mga pentose phosphate na kinakailangan para sa synthesis ng mga nucleic acid, upang makabuo ng mga pinababang katumbas sa anyo ng NADPH para sa synthesis ng mga fatty acid at upang magbigay ng antioxidant system ng mga cell. Kabilang sa mga depekto ng pentose phosphate shunt, ang pinakakaraniwang kakulangan o abnormalidad ng enzyme glucose-6-phosphate dehydrogenase. Hindi nito tinitiyak ang kinakailangang pagpapanumbalik ng glutathione. Ang oksihenasyon ng peroxide ay isinaaktibo sa lamad ng erythrocyte, ang mga hydroperoxide ay naipon, ang pagkamatagusin ng lamad ng cell ay nagambala, na nagreresulta sa hemolysis.
Ang relasyon sa pagitan ng carbohydrate, protina at lipid metabolismo. Ang isang mahalagang karaniwang intermediate na produkto ng metabolismo ng carbohydrates, amino acids at lipids sa mga cell ay ang molekula ng acetyl-coA. Sa pamamagitan ng acetyl-coA, ang glucose at iba pang carbohydrates ay maaaring ma-convert sa mga fatty acid at triglycerides, sa mga hindi mahalagang amino acid, at sa kabaligtaran, ang glucose ay maaaring synthesize sa pamamagitan ng molekulang ito. Sa pamamagitan ng mga interconversion pathway na may iba't ibang diet, ang katawan ay nag-synthesize ng mga kinakailangang sangkap. Samakatuwid, kahit na may isang eksklusibong karbohidrat na diyeta, ang masa ng adipose tissue ay maaaring tumaas. Pagkatapos ng pagkain, pati na rin pagkatapos kumain ng carbohydrates, hindi inirerekomenda na subukan ang basal blood glucose level. Halos palaging, na may hypertriglyceridemia, may posibilidad na makagambala sa metabolismo ng karbohidrat dahil sa pag-unlad ng insulin resistance.
Gluconeogenesis. Ito ang pangalan ng metabolic process ng glucose synthesis mula sa amino acids at intermediate metabolic products. Sa panahon ng proseso ng gluconeogenesis, ang parehong mga reaksyon ay nangyayari tulad ng sa glycolysis, ngunit sa kabaligtaran ng direksyon. Ang pagbubukod ay 3 reaksyon na na-shunted. Ang isang kumpletong hanay ng mga gluconeogenesis enzymes ay nakapaloob sa mga selula ng atay, bato, at bituka mucosa. Ang mga glucocorticoids, sa partikular na cortisol, ay mga makapangyarihang stimulator ng synthesis ng gluconeogenesis enzymes, na nagiging sanhi ng hyperglycemia dahil sa synthesis ng glucose mula sa mga amino acid sa panahon ng protein catabolism.
REGULATION NG CARBOHYDRATE METABOLISM.
Ang antas ng glucose sa dugo ay ang pinakamahalagang salik ng homeostasis. Ito ay pinananatili sa isang tiyak na antas sa pamamagitan ng pag-andar ng mga bituka, atay, bato, pancreas, adrenal glandula, adipose tissue at iba pang mga organo (Larawan 6).
|
|
|
kanin. 6. Ang metabolismo ng glucose pagkatapos kumain. Ang glucose na hinihigop sa bituka ay pumapasok sa atay. Ang atay ay nagpapanatili ng patuloy na supply ng mga substrate ng enerhiya sa iba pang mga organo, lalo na ang utak. Ang supply ng glucose sa atay at utak ay hindi nakasalalay sa insulin, ngunit sa mga kalamnan at adipose tissue ito ay nakasalalay sa insulin. Sa lahat ng mga cell, ang unang hakbang sa metabolismo ng glucose ay phosphorylation. Sa atay, pinasisigla ng insulin ang enzyme glucokinase, na nagpapasimula ng pagbuo ng glycogen. Ang labis na glucose-6-phosphate ay ginagamit para sa synthesis ng mga amino acid at lipid. Sa mga kalamnan, ang glucose ay nakaimbak sa anyo ng glycogen, sa adipose tissue ito ay nagiging triglyceride, sa tisyu ng utak ang glucose ay ginagamit bilang isang substrate ng enerhiya.
Mayroong ilang mga uri ng regulasyon ng metabolismo ng karbohidrat: substrate, nerbiyos, hormonal, bato.
Kapag gumagamit ng mga karbohidrat, pati na rin ang iba pang mga sangkap, ang katawan ay nahaharap sa dalawang gawain: pagsipsip mula sa bituka papunta sa dugo at transportasyon mula sa dugo hanggang sa mga selula ng tisyu. Sa anumang kaso, ito ay kinakailangan upang pagtagumpayan ang lamad.
Transport ng monosaccharides sa mga lamad
Pagsipsip sa bituka
Matapos ang panunaw ng almirol at glycogen, pagkatapos ng pagkasira ng disaccharides, naipon ito sa lukab ng bituka. glucose at iba pang monosaccharides na dapat pumasok sa dugo. Upang gawin ito, kailangan nilang pagtagumpayan ang hindi bababa sa apical membrane ng enterocyte at ang basement membrane nito.
Pangalawang aktibong transportasyon
Sa pamamagitan ng mekanismo ng pangalawang aktibong transportasyon Ang pagsipsip ng glucose at galactose ay nangyayari mula sa lumen ng bituka. Ang mekanismong ito ay nangangahulugan na ang enerhiya ay natupok sa panahon ng paglipat ng mga asukal, ngunit hindi ito direktang ginugol sa transportasyon ng molekula, ngunit sa paglikha ng isang gradient ng konsentrasyon ng isa pang sangkap. Sa kaso ng monosaccharides, ang sangkap na ito ay ang sodium ion.
Ang isang katulad na mekanismo ng transportasyon ng glucose ay naroroon sa tubular epithelium bato, na muling sumisipsip nito mula sa pangunahing ihi.
Availability lang aktibo pinapayagan ka ng transportasyon na ilipat ang halos lahat ng glucose mula sa panlabas na kapaligiran patungo sa mga selula.
Enzyme Na + ,K + -ATPase Patuloy, bilang kapalit ng potasa, ito ay nagbobomba ng mga sodium ions palabas ng cell; ito ang transportasyon na nangangailangan ng paggasta ng enerhiya. Sa lumen ng bituka, ang nilalaman ng sodium ay medyo mataas at ito ay nagbubuklod sa isang partikular na protina ng lamad na may dalawang lugar na nagbubuklod: isa para sa sodium, ang isa para sa monosaccharide. Kapansin-pansin na ang monosaccharide ay nagbubuklod sa protina lamang pagkatapos ng sodium na nagbubuklod dito. Ang transporter protein ay malayang lumilipat sa buong lamad. Kapag ang isang protina ay nakipag-ugnayan sa cytoplasm, ang sodium ay mabilis na humihiwalay mula dito kasama ang isang gradient ng konsentrasyon at ang monosaccharide ay agad na naghihiwalay. Ang resulta ay isang akumulasyon ng monosaccharide sa cell, at ang mga sodium ions ay ibinobomba palabas ng Na + ,K + -ATPase.
Ang paglabas ng glucose mula sa cell papunta sa intercellular space at pagkatapos ay sa dugo ay nangyayari dahil sa pinadali na pagsasabog.
Pangalawang aktibong transportasyon ng glucose at galactose sa mga lamad ng enterocyte
Passive na transportasyon
Hindi tulad ng glucose at galactose, fructose at iba pang monosaccharides ay palaging dinadala ng mga transporter protein na independiyente sa sodium gradient, i.e. pinadali ang pagsasabog. Oo, sa apikal ang lamad ng enterocytes ay naglalaman ng isang transport protein GluT-5, kung saan nagkakalat ang fructose sa cell.
Para sa glucose, ginagamit ang pangalawang aktibong transportasyon kapag ito mababa mga konsentrasyon sa bituka. Kung ang glucose konsentrasyon sa bituka lumen malaki, pagkatapos ay maaari din itong dalhin sa cell sa pamamagitan ng pinadali ang pagsasabog na may pakikilahok ng protina GluT-5.
Ang rate ng pagsipsip ng monosaccharides mula sa bituka lumen sa epithelial cell ay hindi pareho. Kaya, kung ang rate ng pagsipsip ng glucose ay kinuha bilang 100%, kung gayon ang kamag-anak na rate ng paglipat ng galactose ay magiging 110%, fructose - 43%, mannose - 19%.
Transport mula sa dugo sa pamamagitan ng mga lamad ng cell
Matapos mailabas sa dugo na dumadaloy mula sa mga bituka, ang mga monosaccharides ay gumagalaw sa mga sisidlan ng portal system patungo sa atay, bahagyang nananatili dito, at bahagyang pumapasok sa sistematikong sirkulasyon. Ang kanilang susunod na gawain ay tumagos sa mga selula ng organ.
Ang glucose ay gumagalaw mula sa dugo papunta sa mga selula pinadali ang pagsasabog kasama ang isang gradient ng konsentrasyon na kinasasangkutan mga protina ng carrier(mga transporter ng glucose - "GluT"). Sa kabuuan, 12 uri ng mga transporter ng glucose ang nakikilala, naiiba sa lokalisasyon, pagkakaugnay para sa glucose at kakayahang umayos.
Mga transporter ng glucose GluT-1 ay naroroon sa mga lamad ng lahat ng mga selula at responsable para sa pangunahing transportasyon ng glucose sa mga selula na kinakailangan upang mapanatili ang kakayahang mabuhay.
Mga tampok GluT-2 ay ang kakayahang magpasa ng glucose sa dalawang direksyon At mababang affinity sa glucose. Ang carrier ay pangunahing kinakatawan sa hepatocytes, na pagkatapos kumain ay kumukuha ng glucose, at sa panahon ng post-absorptive at sa panahon ng pag-aayuno, ibigay ito sa dugo. Ang transporter na ito ay naroroon din sa epithelium ng bituka At mga tubule ng bato. Naroroon sa mga lamad β cells mga islet ng Langerhans, GluT-2 ay nagdadala ng glucose sa loob kapag ang konsentrasyon nito ay higit sa 5.5 mmol/l at dahil dito ay nabubuo ang isang senyales upang mapataas ang produksyon ng insulin.
Matakaw-3 may mataas na pagkakaugnay sa glucose at ipinakita sa nerve tissue. Samakatuwid, ang mga neuron ay maaaring sumipsip ng glucose kahit na sa mababang konsentrasyon sa dugo.
Ang GluT-4 ay matatagpuan sa mga kalamnan at adipose tissue, tanging ang mga transporter na ito ang sensitibo sa impluwensya insulin. Kapag kumikilos ang insulin sa selula, dumarating sila sa ibabaw ng lamad at inililipat ang glucose sa loob. Ang mga telang ito ay tinatawag umaasa sa insulin.
Ang ilang mga tisyu ay ganap na hindi sensitibo sa pagkilos ng insulin, ang mga ito ay tinatawag hindi umaasa sa insulin. Kabilang dito ang nervous tissue, vitreous body, lens, retina, glomerular cells ng kidneys, endothelial cells, testes at red blood cells.
Ang pagkonsumo ng glucose ng mga selula mula sa daluyan ng dugo ay nangyayari rin sa pamamagitan ng pinadali na pagsasabog. Dahil dito, ang rate ng daloy ng transmembrane na glucose ay nakasalalay lamang sa gradient ng konsentrasyon nito. Ang pagbubukod ay ang mga selula ng kalamnan at adipose tissue, kung saan ang pinadali na pagsasabog ay kinokontrol ng insulin (isang pancreatic hormone). Sa kawalan ng insulin, ang plasma membrane ng mga cell na ito ay hindi natatagusan ng glucose dahil hindi ito naglalaman ng mga protina ng transporter ng glucose. Ang mga transporter ng glucose ay tinatawag ding mga receptor ng glucose. Halimbawa, ang isang transporter ng glucose na nakahiwalay sa mga erythrocytes ay inilarawan. Ito ay isang transmembrane protein, ang polypeptide chain na kung saan ay binuo mula sa 492 amino acid residues at may istraktura ng domain. Ang mga polar domain ng protina ay matatagpuan sa magkabilang panig ng lamad, habang ang hydrophobic domain ay matatagpuan sa lamad, tumatawid ito ng maraming beses. Ang transporter ay may glucose binding site sa labas ng lamad. Pagkatapos ng pagdaragdag ng glucose, nagbabago ang conformation ng protina, bilang isang resulta kung saan ang glucose ay nakagapos sa protina sa isang rehiyon na nakaharap sa loob ng cell. Pagkatapos ay humiwalay ang glucose mula sa transporter, lumipat sa cell
Ito ay pinaniniwalaan na ang pinadali na paraan ng pagsasabog, kumpara sa aktibong transportasyon, ay pumipigil sa transportasyon ng mga ions kasama ang glucose kung ito ay dinadala kasama ang isang gradient ng konsentrasyon.
Pagsipsip ng carbohydrates sa bituka. Ang pagsipsip ng monosaccharides mula sa bituka ay nangyayari sa pamamagitan ng pinadali na pagsasabog sa tulong ng mga espesyal na protina ng carrier (transporter). Bilang karagdagan, ang glucose at galactose ay dinadala sa enterocyte sa pamamagitan ng pangalawang aktibong transportasyon, depende sa gradient ng konsentrasyon ng sodium ion. Tinitiyak ng Na + gradient-dependent transporter proteins ang pagsipsip ng glucose mula sa lumen ng bituka papunta sa enterocyte laban sa gradient ng konsentrasyon. Ang konsentrasyon ng Na + na kinakailangan para sa transportasyong ito ay ibinibigay ng Na + ,K + -ATPase, na gumagana tulad ng isang bomba, na nagbobomba ng Na + palabas ng cell bilang kapalit ng K +. Hindi tulad ng glucose, ang fructose ay dinadala ng isang sistemang independiyente sa sodium gradient.
Mga transporter ng glucose(GLUT) ay matatagpuan sa lahat ng mga tisyu. Mayroong ilang mga uri ng mga GLUT (Talahanayan 7-1), na binibilang ayon sa pagkakasunud-sunod kung saan sila natuklasan.
Ang istraktura ng mga protina ng pamilyang GLUT ay naiiba sa mga protina na nagdadala ng glucose sa buong lamad sa bituka at mga bato laban sa isang gradient ng konsentrasyon.
Ang inilarawang 5 uri ng mga GLUT ay may katulad na pangunahing istraktura at organisasyon ng domain.
- Tinitiyak ng GLUT-1 ang isang matatag na daloy ng glucose sa utak;
- Ang GLUT-2 ay matatagpuan sa mga selula ng mga organo na naglalabas ng glucose sa dugo. Ito ay kasama ng paglahok ng GLUT-2 na ang glucose ay pumapasok sa dugo mula sa mga enterocytes at atay. Ang GLUT-2 ay kasangkot sa transportasyon ng glucose sa pancreatic β-cells;
- Ang GLUT-3 ay may mas malaking affinity para sa glucose kaysa sa GLUT-1. Tinitiyak din nito ang patuloy na daloy ng glucose sa mga selula ng nerbiyos at iba pang mga tisyu;
- Ang GLUT-4 ay ang pangunahing transporter ng glucose sa mga selula ng kalamnan at adipose tissue;
- Ang GLUT-5 ay pangunahing matatagpuan sa mga selula ng maliit na bituka. Ang mga pag-andar nito ay hindi kilala.
Ang lahat ng mga uri ng GLUT ay maaaring matatagpuan pareho sa lamad ng plasma at sa mga cytosolic vesicle. Ang GLUT-4 (at sa mas mababang lawak ay GLUT-1) ay halos lahat ay matatagpuan sa cytoplasm ng mga cell. Ang epekto ng insulin sa naturang mga selula ay humahantong sa paggalaw ng mga vesicle na naglalaman ng GLUT sa lamad ng plasma, pagsasanib dito at ang pagsasama ng mga transporter sa lamad. Pagkatapos nito, posible ang pinadali na transportasyon ng glucose sa mga cell na ito. Matapos bumaba ang konsentrasyon ng insulin sa dugo, ang mga transporter ng glucose ay lumipat muli sa cytoplasm, at huminto ang daloy ng glucose sa cell (Larawan 7-19).
Ang paggalaw ng glucose mula sa pangunahing ihi papunta sa mga selula ng renal tubules ay nangyayari sa pamamagitan ng pangalawang aktibong transportasyon, katulad ng kung paano ito nangyayari kapag ang glucose ay nasisipsip mula sa bituka lumen patungo sa mga enterocytes. Dahil dito, ang glucose ay maaaring makapasok sa mga selula kahit na ang konsentrasyon nito sa pangunahing ihi ay mas mababa kaysa sa mga selula. Sa kasong ito, halos ganap na na-reabsorb ang glucose mula sa pangunahing ihi (99%).
Ang iba't ibang mga kaguluhan sa paggana ng mga transporter ng glucose ay kilala. Ang isang minanang depekto sa mga protina na ito ay maaaring sumailalim sa di-insulin-dependent na diabetes mellitus (tingnan ang seksyon 11). Kasabay nito, ang sanhi ng pagkagambala ng transporter ng glucose ay maaaring hindi lamang isang depekto sa protina mismo. Ang GLUT-4 dysfunction ay posible sa mga sumusunod na yugto:
- paghahatid ng signal ng insulin upang ilipat ang transporter na ito sa lamad;
- paggalaw ng transporter sa cytoplasm;
- pagsasama sa lamad;
- unlacing mula sa lamad, atbp.
77.Glycolysis (landas ng phosphotriose, o Embden-Meyerhof shunt, o Embden-Meyerhof-Parnassus path) ay isang enzymatic na proseso ng sequential breakdown ng glucose sa mga cell, na sinamahan ng synthesis ng ATP. Ang glycolysis sa ilalim ng mga kondisyon ng aerobic ay humahantong sa pagbuo ng pyruvic acid (pyruvate), ang glycolysis sa ilalim ng mga kondisyon ng anaerobic ay humahantong sa pagbuo ng lactic acid (lactate). Ang Glycolysis ay ang pangunahing landas ng glucose catabolism sa mga hayop.
pangkalahatang pagsusuri
Ang glycolytic pathway ay binubuo ng 10 sequential reactions, bawat isa ay na-catalyzed ng isang hiwalay na enzyme.
Ang proseso ng glycolysis ay maaaring nahahati sa dalawang yugto. Ang unang yugto, na nangyayari sa pagkonsumo ng enerhiya ng 2 molekula ng ATP, ay binubuo ng paghahati ng isang molekula ng glucose sa 2 mga molekula ng glyceraldehyde-3-phosphate. Sa ikalawang yugto, ang NAD-dependent na oksihenasyon ng glyceraldehyde-3-phosphate ay nangyayari, na sinamahan ng synthesis ng ATP. Ang glycolysis mismo ay isang ganap na anaerobic na proseso, iyon ay, hindi ito nangangailangan ng pagkakaroon ng oxygen para mangyari ang mga reaksyon.
Ang Glycolysis ay isa sa mga pinakalumang proseso ng metabolic, na kilala sa halos lahat ng nabubuhay na organismo. Marahil, ang glycolysis ay lumitaw higit sa 3.5 bilyong taon na ang nakalilipas sa primordial prokaryotes.
Resulta
Ang resulta ng glycolysis ay ang conversion ng isang molekula ng glucose sa dalawang molekula ng pyruvic acid (PVA) at ang pagbuo ng dalawang pagbabawas na katumbas sa video coenzyme NAD∙H.
Ang kumpletong equation para sa glycolysis ay:
Glucose + 2NAD + + 2ADP + 2P n = 2NAD∙H + 2PVK + 2ATP + 2H 2 O + 2H + .
Sa kawalan o kakulangan ng oxygen sa cell, ang pyruvic acid ay sumasailalim sa pagbawas sa lactic acid, kung gayon ang pangkalahatang equation ng glycolysis ay ang mga sumusunod:
Glucose + 2ADP + 2Pn = 2lactate + 2ATP + 2H 2 O.
Kaya, sa panahon ng anaerobic breakdown ng isang glucose molecule, ang kabuuang net yield ng ATP ay dalawang molekula na nakuha sa mga reaksyon ng substrate phosphorylation ng ADP.
Sa mga aerobic na organismo, ang mga huling produkto ng glycolysis ay sumasailalim sa karagdagang pagbabago sa mga biochemical cycle na may kaugnayan sa cellular respiration. Bilang isang resulta, pagkatapos ng kumpletong oksihenasyon ng lahat ng mga metabolite ng isang molekula ng glucose sa huling yugto ng paghinga ng cellular - oxidative phosphorylation, na nangyayari sa mitochondrial respiratory chain sa pagkakaroon ng oxygen - isang karagdagang 34 o 36 na molekula ng ATP ay na-synthesize para sa bawat glucose. molekula.
Daan
Unang reaksyon ang glycolysis ay phosphorylation mga molekula ng glucose, na nangyayari sa pakikilahok ng hexokinase na enzyme na partikular sa tisyu na may pagkonsumo ng enerhiya ng 1 molekula ng ATP; Ang aktibong anyo ng glucose ay nabuo - glucose-6-phosphate (G-6-F):
Upang maganap ang reaksyon, ang pagkakaroon ng mga Mg 2+ ions sa daluyan ay kinakailangan, kung saan ang molekula ng ATP ay kumplikadong nakagapos. Ang reaksyong ito ay hindi maibabalik at ito ang una pangunahing reaksyon ng glycolysis.
Ang phosphorylation ng glucose ay may dalawang layunin: una, dahil sa ang katunayan na ang plasma membrane, na natatagusan sa neutral na molekula ng glucose, ay hindi pinapayagan ang negatibong sisingilin na mga molekula ng G-6-P, ang phosphorylated glucose ay naka-lock sa loob ng cell. Pangalawa, sa panahon ng phosphorylation, ang glucose ay na-convert sa isang aktibong anyo na maaaring lumahok sa mga biochemical reaksyon at maisama sa mga metabolic cycle.
Ang hepatic isoenzyme hexokinase glucokinase ay mahalaga sa pag-regulate ng mga antas ng glucose sa dugo.
Sa susunod na reaksyon ( 2 ) sa pamamagitan ng enzyme phosphoglucoisomerase G-6-P ay na-convert sa fructose 6-phosphate (F-6-F):
Walang kinakailangang enerhiya para sa reaksyong ito at ang reaksyon ay ganap na mababaligtad. Sa yugtong ito, ang fructose ay maaari ding isama sa proseso ng glycolysis sa pamamagitan ng phosphorylation.
Susunod, ang dalawang reaksyon ay sumusunod halos kaagad sa isa't isa: hindi maibabalik na phosphorylation ng fructose-6-phosphate ( 3 ) at reversible aldol cleavage ng resulta fructose 1,6-biphosphate (F-1.6-bF) sa dalawang triose ( 4 ).
Ang Phosphorylation ng P-6-P ay isinasagawa ng phosphofructokinase na may paggasta ng enerhiya ng isa pang molekula ng ATP; ito ang pangalawa pangunahing reaksyon glycolysis, tinutukoy ng regulasyon nito ang intensity ng glycolysis sa kabuuan.
cleavage ni Aldol F-1.6-bF nangyayari sa ilalim ng pagkilos ng fructose-1,6-bisphosphate aldolase:
Bilang resulta ng ikaapat na reaksyon, dihydroxyacetone phosphate At glyceraldehyde-3-phosphate, at ang una ay halos agad na nasa ilalim ng impluwensya phosphotriose isomerase papunta sa pangalawa ( 5 ), na nakikilahok sa karagdagang pagbabago:
Ang bawat molekula ng glyceraldehyde phosphate ay na-oxidize ng NAD+ sa pagkakaroon ng glyceraldehyde phosphate dehydrogenase dati 1,3-diphosphoglycerate (6 ):
Kasunod ng 1,3-diphosphoglycerate na naglalaman ng isang mataas na enerhiya na bono sa posisyon 1, ang enzyme phosphoglycerate kinase ay naglilipat ng phosphoric acid residue sa ADP molecule (reaksyon 7 ) - isang molekula ng ATP ay nabuo:
Ito ang unang reaksyon ng substrate phosphorylation. Mula sa sandaling ito, ang proseso ng pagkasira ng glucose ay tumigil na hindi kumikita sa mga tuntunin ng enerhiya, dahil ang mga gastos sa enerhiya sa unang yugto ay nabayaran: 2 ATP molecule ay synthesized (isa para sa bawat 1,3-diphosphoglycerate) sa halip na ang dalawang ginugol sa ang mga reaksyon 1 At 3 . Para mangyari ang reaksyong ito, kinakailangan ang pagkakaroon ng ADP sa cytosol, iyon ay, kapag may labis na ATP sa cell (at kakulangan ng ADP), bumababa ang bilis nito. Dahil ang ATP, na hindi na-metabolize, ay hindi idineposito sa cell ngunit nawasak lamang, ang reaksyong ito ay isang mahalagang regulator ng glycolysis.
sunud-sunod: phosphoglycerol mutase forms 2-phosphoglycerate (8 ):
Mga anyo ng enolase phosphoenolpyruvate (9 ):
Sa wakas, ang pangalawang reaksyon ng substrate phosphorylation ng ADP ay nangyayari sa pagbuo ng enol form ng pyruvate at ATP ( 10 ):
Ang reaksyon ay nangyayari sa ilalim ng pagkilos ng pyruvate kinase. Ito ang huling pangunahing reaksyon ng glycolysis. Ang isomerization ng enol na anyo ng pyruvate hanggang pyruvate ay nangyayari nang hindi enzymatically.
Mula nang mabuo ito F-1.6-bF Ang mga reaksyon lamang na naglalabas ng enerhiya ay nangyayari 7 At 10 , kung saan nangyayari ang substrate phosphorylation ng ADP.