Функция гликогена в организме: Когда заканчивается гликоген, тогда «горит» жир?

Когда заканчивается гликоген, тогда «горит» жир?

Получила интересный вопрос – «А что если была силовая тренировка на верх тела (грудь/спина/руки…), то есть ноги были не задействованы, соответственно запас гликогена в них остался, а после силовой ты пошла на беговую дорожку, то жир «гореть» не будет, т.к. в ногах остался гликоген, и именно его будет использовать организм, так?»

Что такое гликоген?

Гликоген – это форма хранения углеводов в организме. В основном гликоген запасается в печени и мышцах. Печень ответственна за большое количество важных функций, в т.ч. и за углеводный обмен. Концентрация гликогена в печени выше, чем в мышцах (10% против 2% от веса тканей органов), но все же больше гликогена содержится именно в мышцах, так как их масса больше. Кстати, другие ткани и органы нашего тела – мозг, почки, сердце и т.д., так же содержат запасы гликогена, но ученые не пришли к окончательному выводу, относительно их функций. Гликоген в печени и скелетных мышцах выполняют разные функции.

Гликоген из печени преимущественно необходим для регуляции уровня глюкозы в крови в период голодания, дефицита калорий.

Гликоген из мышц обеспечивает глюкозой мышечные волокна во время сокращения мышц.

Соответственно, содержание гликогена в печени уменьшается во время голодания, дефицита калорий, а содержание мышечного гликогена уменьшается во время тренировки в «рабочих» мышцах. Но только ли в «рабочих» мышцах?

Гликоген и работа мышц.

Было проведено несколько исследований (в конце статьи оставлю ссылку на полный обзор всех источников), в ходе которых была проведена биопсия скелетных мышц после выполнения интенсивной физической нагрузки у группы добровольцев. Выявлено, что в «рабочих» мышцах уровень гликогена значительно снижается во время выполнения упражнений, в то время как уровень гликогена в неактивных мышцах остается неизменным. Кстати, выносливость напрямую связана с уровнями гликогена в мышцах, усталость развивается, когда истощается запас гликогена в активных мышцах (поэтому не забываем есть перед тренировкой часа за 2, чтобы показать максимальный результат).

Так значит жир не будет «гореть» на беговой дорожке после тренировки верха, так как в мышцах ног останется запас гликогена? На самом деле будет, и вот почему:

1. В статье «О количестве подходов, повторений и весах… Или как растут мышцы?», я уже затрагивала тему о типах мышечных волокон (МВ) и их энергообеспечении. Так вот при аэробной работе (когда используется кислород) окислительные МВ используют жир в качестве источника энергии, как пример – тот самый бег на пульсе жиросжигания (когда при беге дыхание ровное, нет отдышки, даже можно разговаривать и при этом не задыхаться).
2. Гликогеновый запас по калориям не настолько емок, как запас триглицеридов (жиров). А повышенная концентрация свободных жирных кислот в плазме крови способствует сохранению гликогена скелетных мышц во время тренировок.

В подтверждение вот еще одно исследование: Vukovich M.D., Costill D.L., Hickey M.S., Trappe S.W., Cole K.J., Fink W.J. Effect of fat emulsion infusion and fat feeding on muscle glycogen utilization during cycle exercise. J. Appl. Physiol.(1985) 1993

Участников эксперимента разделили на две группы. Первой группе приготовили перед тренировкой насыщенный жирными кислотами прием пищи (взбитые сливки, 90 гр.), вторая группа съела легкий завтрак (где были в основном одни углеводы и только 1 гр. жира). После часового кардио были сделаны замеры уровня гликогена в активных мышцах. Та группа, которая перед тренировкой получила насыщенный жирными кислотами прием пищи, потратила на 26% меньше гликогена в активных мышцах.

Ниже иллюстрация того, как через определенное время (с момента начала тренировки) организм теряет запасы гликогена и все больше переходит на жир, как источник энергии: 

Триглицериды (жиры) в плазме крови (в кровь эти жирные кислоты попадают после еды, либо высвобождаются во время отдыха из подкожного жира, но при условии дефицита калорий) и триглицериды, запасенные мышечной тканью (наподобие гликогена) – основные источники энергообеспечения мышц жирными кислотами. То есть, подкожный жир напрямую не горит на беговой дорожке, горит тот жир, что вы съели перед тренировкой, либо тот жир, который уже находится в мышцах, а попадает он туда из подкожного, только при условии дефицита калорий. И еще, чем более тренированный человек, тем больше его мышцы способны «сжечь» запасов жиров и углеводов за тренировку.

А что если не есть углеводы, чтобы запасы гликогена были минимальны и быстрее «горел» жир?

Как я уже писала, мышцы – это не единственный потребитель углеводов, тот же мозг ежедневно требует около 75-100 гр. глюкозы, вынь да полож (а еще есть сердце, печень, жировая ткань, да, да даже она потребляет углеводы). И если мышцам, а надо понимать, что они не первые в очереди за углеводами, не хватает глюкозы для ресинтеза гликогена, то «включается» процесс неоглюкогенез (опять сложное слово!), то есть мышцы начинают разрушаться. Поэтому советую не опускать значение потребление углеводов ниже 100 гр. в сутки.

Итог.

Что ж, в итоге жир будет «гореть» на беговой дорожке после тренировки верха, даже несмотря на то, что в мышцах ног останется запас гликогена. Но сначала «сгорят» триглицериды в мышцах, плазме крови, потом вы придете домой, закончите день с небольшим дефицитом калорий (а не съедите все что попадет под руку со словами — «а что, после тренировки все ж можно…»), уснете, организм поймет, что образовалась нехватка энергии, метаболизирует из подкожного жира триглицериды, которые попадут сначала в кровь, а потом в мышцы. Все. Осталось повторить цикл еще разок, два или три… ну вы поняли 😉

Источник: María M. Adeva-Andany, Manuel González-Lucán, Cristóbal Donapetry-García, Carlos Fernández-Fernández, and Eva Ameneiros-Rodríguez. Glycogen metabolism in humans. Published online 2016 Feb 27.

4.5 2 голоса

Оценить

Роль гликогена в организме человека (развернуто)

Основной функцией гликогена в организме человека является хранение энергии. Запасы этого вещества откладываются в печени и мышцах. После приема пищи организм забирает столько глюкозы, поступившей в кровь из сложных углеводов, сколько ему необходимо для обеспечения двигательной и умственной активности. Излишек глюкозы преобразуется в гликоген и тут же откладывается как бы «про запас». Но когда человек начинает активную деятельность, организм тратит эти самые запасы энергии, причем достаточно логично: весь запас гликогена не может быть использован, так как организм запланировал потратить его на восстановление после нагрузки. Поэтому, если не пополнить запасы энергии, то нервная система начинает активно сигнализировать об этом, что становится причиной раздражительности и рассеянности.

Организм может синтезировать гликоген двумя способами: сразу после еды и в моменты активной умственной (физической) деятельности или голода. Но в каждом из случаев, мозг обязательно получит сигнал о том, что организм нуждается в энергии.

Печень является не только самой тяжелой железой во всем организме, но и вторым по величине органом человеческого тела. Она берет на себя множество функций, в число которых входит также углеводный обмен. Ее можно считать самым настоящим фильтром, через который проходит кровь из желудочно-кишечного тракта. И одной из важнейших задач печени – поддержание нормального уровня глюкозы в крови.

В мышцах гликоген необходим для хранения энергетических запасов. Именно поэтому спортивное питание строится так, чтобы мышцы до отказа были наполнены гликогеном, ведь перед тренировкой необходимо полное их восстановление. Синтез гликогена проходит замечательно, если рацион человека сбалансирован. Причем, большую роль при этом играет дробное питание, в результате которого усвоение веществ происходит быстрее. Так, питание 5 раз в день маленькими порциями — залог усиленного темпа синтеза гликогена.

зачем он нужен? — Рамблер/женский

Что такое гликоген?

Гликоген — это одна из основных форм запасания энергии в организме человека. По своей структуре гликоген представляет сотни связанных между собой молекул глюкозы, поэтому формально он считается сложным углеводом. Интересно и то, что гликоген иногда называют «животным крахмалом», поскольку он встречается исключительно в организме живых существ.

В случае, если уровень глюкозы в крови снижается (например, по прошествии нескольких часов после принятия пищи или при активных физических нагрузках), тело начинает вырабатывать специальные ферменты, в результате чего накопленный в мышечной ткани гликоген начинает расщепляться до молекул глюкозы, становясь источником быстрой энергии.

Как и почему сахар ломает работу метаболизма и ведет к быстрому набору веса. Чем именно вреден сахар?

Важность углеводов для организма

Употребленные в пищу углеводы (начиная от крахмала всевозможных зерновых культур и заканчивая быстрыми углеводами различных фруктов и сладостей) в процессе пищеварения расщепляются до простых сахаров и до глюкозы. После этого превращенные в глюкозу углеводы направляются организмом в кровь. При этом жиры и белки конвертироваться в глюкозу не могут.

Данная глюкоза используется телом как для текущих энергетических нужд (например, при беге или других физических тренировках), так и для создания резервных запасов энергии. При этом организм сперва связывает глюкозу в молекулы гликогена, а когда гликогеновые депо заполняются до отказа, тело преобразует глюкозу в жир. Именно поэтому люди полнеют от избытка углеводов.

Где накапливается гликоген?

В организме гликоген накапливается преимущественно в печени (порядка 100-120 г гликогена для взрослого человека) и в мышечной ткани (примерно 1% от общего веса мышц). Суммарно в теле запасается примерно 200-300 г гликогена, однако в организме мускулистого спортсмена может накапливаться существенно больше — вплоть до 400-500 г.

Отметим, что запасы гликогена в печени используются для покрытия энергетических потребностей в глюкозе по всему телу, тогда как запасы гликогена в мышцах доступны исключительно для локального потребления. Другими словами, если вы выполняете приседания, то тело способно использовать гликоген исключительно из мышц ног, а не из мышц бицепса или трицепса.

Функции гликогена в мышцах

С точки зрения биологии, гликоген накапливается не в самих мышечных волокнах, а в саркоплазме — окружающей их питательной жидкости. FitSeven уже писал о том, что рост мускулатуры во многом связан с увеличением объема именно этой питательной жидкости — мышцы по своей структуре похожи на губку, которая впитывает саркоплазму и увеличивается в размере.

Регулярные силовые тренировки положительно влияют на размер гликогеновых депо и количество саркоплазмы, делая мышцы визуально более большими и объемными. Однако важно понимать, что само число мышечных волокон задается прежде всего генетическим типом телосложения и практически не меняется в течение жизни человека вне зависимости от тренировок.

Влияние гликогена на мышцы: биохимия

Успешная тренировка для набора мускулатуры требует двух условий — во-первых, наличия достаточных запасов гликогена в мышцах до тренировки, а, во-вторых, успешное восстановление гликогеновых депо по ее окончанию. Выполняя силовые упражнения без запасов гликогена в надежде «просушиться», вы прежде всего вынуждаете тело сжигать мышцы.

Именно поэтому для роста мышц важно не столько употребление сывороточного белка и аминокислот BCAA, сколько наличие существенного количества правильных углеводов в рационе — и, в особенности, достаточное потребление быстрых углеводов сразу по окончанию тренировки. По сути, вы просто не сможете нарастить мышцы, находясь на безуглеводной диете.

Как правильно питаться при силовых тренировках? Спортивный рацион и добавки для быстрого набора мышечной массы.

Как повысить запасы гликогена?

Запасы гликогена в мышцах пополняются либо углеводами из продуктов питания, либо употреблением спортивного гейнера (смеси протеина и углеводов). Как мы уже упоминали выше, в процессе пищеварения сложные углеводы расщепляются до простых; сперва они попадают в кровь в виде глюкозы, а затем переработаются организмом до гликогена.

Чем ниже гликемический индекс конкретного углевода, тем медленнее он отдает свою энергию в кровь и тем выше его процент конвертации именно в гликогеновые депо, а не в подкожную жировую клетчатку. Особенную важность это правило имеет в вечернее время — к сожалению, простые углеводы, съеденные за ужином, пойдут прежде всего в жир на животе.

Влияние гликогена на сжигание жира

Если вы хотите сжечь жир с помощью тренировок, помните о том, что тело сперва расходует запасы гликогена, а лишь затем переходит к запасам жира. Именно на этом факте и строится рекомендация о том, что эффективная жиросжигающая тренировка должна проводиться не менее 40-45 минут при умеренном пульсе — сперва организм тратит гликоген, затем переходит на жир.

Практика показывает, что жир быстрее всего сгорает при кардиотренировках утром на пустой желудок или при тренировках через 3-4 часа после последнего приема пищи — поскольку в этом случае уровень глюкозы в крови уже находится на минимальном уровне, с первых минут тренинга тратятся запасы гликогена из мышц (а затем и жира), а вовсе не энергия глюкозы из крови.

Гликоген является основной формой хранения энергии глюкозы в животных клетках (в растениях гликогена нет). В теле взрослого человека накапливается примерно 200-300 г гликогена, запасаемого преимущественно в печени и в мышцах. Гликоген тратится при силовых и кардиотренировках, а для роста мышц чрезвычайно важно правильно восполнять его запасы.

Как синтез гликогена влияет на вес?

Синтез гликогена

Гликоген – это быстромобилизуемый энергетический резерв. В гликогене хранится глюкоза. После еды организм забирает из питательных веществ столько глюкозы, сколько ему необходимо для обеспечения физической активности и умственной деятельности, а остальное сохраняет в виде гликогена в печени и мышцах. Их он будет использовать тогда, когда придет время. Этот процесс называется синтез гликогена или просто — сахарообразование. Когда вы начинаете активную физическую деятельность, например, занятия спортом, организм начинает использовать свои запасы гликогена. Причем делает это по-умному. Он – организм – знает, что не может полностью использовать то, что образовалось в результате синтеза гликогена, ведь в противном случае ему будет нечего использовать для быстрого восполнения энергии (представьте себе, что вы просто не в состоянии ходить или бегать, потому что у вашего тела не осталось энергии, чтобы двигаться).

Через несколько часов «без дозаправки» в виде продуктов питания, запасы гликогена оказываются исчерпаны, но нервная система продолжает настойчиво требовать его для себя. Именно поэтому возникают вялые психические и физические реакции, человеку становится трудно сосредотачиваться и реагировать на какие-либо внешние раздражители.

Есть два сценария, по которым наш организм запускает синтез гликогена. После еды, особенно продуктов с высоким содержанием углеводов, уровень глюкозы в крови повышается. В ответ инсулин попадает в кровоток и облегчает доставку глюкозы в клетки, а также помогает синтезу гликогена. Второй механизм запускается в периоды крайнего голода или активной физической деятельности. В обоих случаях организм истощает запас гликогена в клетках, подавая мозгу сигналы о необходимости «дозаправки».

Функции гликогена

Главная функция гликогена – хранение энергии. Основные запасы гликогена находятся в мышцах и печени, где он одновременно и производится (из глюкозы, содержащейся в крови), и используется. Кроме того, гликоген хранится также и в красных кровяных клетках. Функция гликогена печени – обеспечивать глюкозой весь организм, функции гликогена в мышцах – обеспечивать энергией физическую активность.

Когда уровень сахара в крови снижается, вырабатывается гормон глюкагон, который превращает гликоген в источник топлива. Когда мышцы сокращаются, функция гликогена – расщепиться до глюкозы, которая будет использоваться в качестве энергии. После физической активности организм восполнит растраченные запасы гликогена, как только вы что-нибудь съедите. Если запасы гликогена и жира истощаются, организм начинает расщеплять белки и использовать их в качестве источника топлива. При этом человек может столкнуться с опасностью возникновения анорексии. Сердечная мышца очень богата гликогеном и для ежедневной работы получает около 25% своего топлива из глюкозы. Без достаточного потребления продуктов, содержащих глюкозу, страдать будет, в том числе, и сердце. По этой причине у многих больных анорексией и булимией есть проблемы с сердцем.

Что происходит, если в организме слишком много глюкозы? Если все хранилища гликогена заполнены, начинается превращение глюкозы в жир. С этой точки зрения очень важно следить за вашей диетой и не потреблять очень много сладких продуктов, углеводы которых могут быть преобразованы в глюкозу. Как только избыток сахара сохраняется в виде жира, организму требуется гораздо больше времени, чтобы сжечь его. Любая диета, учитывающая соотношение белков, жиров и углеводов (например, умная диета для похудения), всегда крайне скупа на сахар и быстрые углеводы.

Зачем нужен гликоген в печени?

Печень — это второй по величине орган человеческого тела после кожи. Это самая тяжелая железа, у среднего взрослого человека она весит около полутора килограмм. Печень ответственна за множество жизненно важных функций, в том числе и за углеводный обмен. Печень, по сути, является огромным фильтром, через который из желудочно-кишечного тракта проходит богатая питательными веществами кровь. И особенно сложная и важная задача этого фильтра — поддержание оптимальной концентрации глюкозы в крови. А гликоген в печени является хранилищем глюкозы.

Основные механизмы, с помощью которых организм, обеспечивая оптимальный уровень сахара в крови, обрабатывает гликоген в печени – это липогенез, распад гликогена, глюконеогенез и превращение других сахаров в глюкозу.

Печень выступает в роли своеобразного буфера глюкозы, то есть она помогает поддерживать концентрацию глюкозы в крови близко к нормальному диапазону от 80 до 120 мг/дл (миллиграмм глюкозы на децилитр крови). Это делает печень критически важным органом, потому что как гипергликемия (повышенное содержание сахара в крови), так и гипогликемия (низкий уровень сахара в крови) могут быть опасны для организма.

Зачем нужен гликоген в мышцах

Гликоген в мышцах нужен для хранения энергии. Если добиться того, чтобы наш организм мог сохранять больше гликогена в мышцах, то в распоряжении мышц было бы больше энергии, готовой к немедленному использованию. Это одна из задач предсезонной подготовки спортсменов. Для них важно, чтобы перед тренировкой обеспечивалось полное восстановление мышц. Поэтому их программы питания строятся таким образом, чтобы «хранилище» гликогена в мышцах было забито до отказа.

Медицинские исследования показывают, что ключ к быстрому восстановлению гликогена в мышцах – это употребление в течение получаса после тренировки пищи и напитков с соотношением углеводы/белки примерно 4 к 1. Тогда пищеварительные ферменты наиболее активны и приток крови к мышцам будет максимальным. Спортсмены, которые не забывают «дозаправить» гликоген в мышцах сразу после тренировки, прежде чем пойти в душ, могут сохранить в три раза больше гликогена, чем те, кто ждет два или более часов.

Углеводы | Tervisliku toitumise informatsioon

Углеводы являются главным источником энергии в организме. Энергия, получаемая с содержащимися в пище углеводами, в основном вырабатывается из крахмала и сахаров, а также (в меньшей степени) из пищевых волокон и сахарных спиртов.

Основными источниками углеводов являются зерновые и картофель. Фрукты, фруктовый сок, ягоды и молоко также содержат сахара (моно- и дисахариды). Сладости, сладкие напитки, фруктовые сиропы, подслащенные кондитерские изделия и молочные продукты со вкусовыми добавками – основные источники добавленных сахаров. Добавленными сахарами называются сахара, добавляемые в продукты в процессе их обработки или приготовления. 

Понятия «углевод» и “сахар” – не одно и то же. Сахар – это условное обиходное понятие, используемое в основном в отношении сахарозы (т.н. столовый сахар), а также других водорастворимых простых углеводов со сладким вкусом (моно- и дисахариды, такие как глюкоза, фруктоза, лактоза, мальтоза).

• Углеводы должны покрывать 50–60% суточной потребности в пищевой энергии.
• Энергия, получаемая с добавленным сахаром, не должна превышать 10% суточной пищевой энергии.

Человеку с суточной потребностью в энергии 2000 ккал за день следует употреблять: от 0,5 x 2000 ккал / 4 ккал = 250 г до 0,6 x 2000 / 4 ккал = 300 г углеводов. При суточной потребности в энергии 2500 ккал рекомендуемое дневное количество углеводов 313–375 г, при 3000 ккал – 375–450 г.

Наш организм, а в особенности мозг, нуждается в постоянном снабжении глюкозой, обеспечивающей эффективность и результативность его работы. При длительном недостатке углеводов организм начинает синтезировать глюкозу из собственных белков, из-за чего заметно снижается его защитная способность в отношении факторов внешней среды.

С точки зрения пищевой ценности углеводы делятся на две больших группы:

В первую входят углеводы, которые перевариваются и всасываются, снабжая клетки тела в основном глюкозой, то есть гликемические углеводы (крахмал и сахара).

Во вторую группу входят пищевые волокна.

Глюкоза – основное «топливо» для большинства клеток тела. Она откладывается в печени и мышцах в виде гликогена. Гликоген печени используется для поддержания в норме уровня глюкозы в крови в перерывах между едой, гликоген мышц является основным источником мышечной энергии. В пищеварительном тракте человека, питающегося богатой крахмалом пищей, происходит расщепление крахмала, в результате которого образуется большое количество глюкозы. Наиболее богаты крахмалом зерновые и картофель.

Они не перевариваются и направляются в кишечник, образуя необходимый для его микрофлоры субстрат.

Углеводы выполняют в организме множество функций:

• являются главным источником энергии в организме: 1 грамм углеводов = 4 ккал,
• входят в состав клеток и тканей,
• определяют группу крови,
• входят в состав многих гормонов,
• выполняют защитную функцию в составе антител,
• играют роль запасного вещества в организме: аккумулирующийся в печени и мышцах гликоген – временный запас глюкозы, которой организм при необходимости может легко воспользоваться,
• пищевые волокна необходимы для исправной работы пищеварительной системы.

Основные углеводы и их лучшие источники:

Моно- и дисахариды*, то есть простые углеводы, то есть сахара
Глюкоза, или виноградный сахар	мед, фрукты, ягоды, соки
Фруктоза, или фруктовый сахар	фрукты, ягоды, соки, мед
Лактоза, или молочный сахар	молоко и молочные продукты
Мальтоза, или солодовый сахар	зерновые продукты
Сахароза, или столовый сахар	сахарный тростник, сахарная свекла, столовый сахар, сахаросодержащие продукты, фрукты, ягоды
Олигосахариды
Мальтодекстрин	вырабатывается из крахмала, используется преимущественно как БАД. Содержится также в пиве и хлебе
Рафиноза	бобовые
Полисахариды
Крахмал	картофель, зерновые продукты, рис, макаронные изделия
Пищевые волокна (целлюлоза, пектин)	зерновые, фрукты

* дисахариды по структуре относятся к олигосахаридам

Пищевые волокна

Пищевые волокна содержатся только в растениях, например, целлюлоза и пектин встречаются в основном в цельнозерновых продуктах, фруктах и овощах, а также бобовых.

Обитающие в кишечнике микроорганизмы способны частично расщеплять пищевые волокна, которые являются пищей для микробов пищеварительного тракта, в свою очередь важных для защитных сил организма человека.

Пищевые волокна:

• ​увеличивают объем пищевой кашицы, вызывая тем самым ощущение сытости,
• ускоряют продвижение пищевой массы по тонкому кишечнику,
• способствуют предотвращению запоров и могут предотвращать некоторые формы рака, заболевания сердечно-сосудистой системы и диабет II типа,
• облегчают вывод из организма холестерина,
• замедляют всасывание глюкозы, предотвращая слишком резкое возрастание уровня сахара в крови,
• помогают поддерживать нормальную массу тела.

Пищевые волокна в организме не всасываются, но, благодаря частичному разложению в кишечнике под действием микрофлоры пищеварительного тракта, образуют жирные кислоты с короткой молекулярной цепью и дают около 2 ккал/г энергии.

Пищевые волокна можно подразделить на водорастворимые и нерастворимые. Поскольку они выполняют разные функции, следует ежедневно употреблять продукты, содержащие пищевые волокна обоих видов:

• Овес, рожь, фрукты, ягоды, овощи и бобовые (горох, чечевицу, фасоль) – хорошие источники водорастворимых пищевых волокон.
• Цельнозерновые продукты (ржаной хлеб, цельнозерновой пшеничный хлеб, сепик, крупы, цельнозерновые хлопья, цельнозерновой рис) – хорошие источники не растворимых в воде пищевых волокон.

Взрослый человек должен получать от 25 до 35 г пищевых волокон в день в зависимости от суточной потребности в энергии (ок. 13 г пищевых волокон на 1000 ккал). 

Рекомендуемое суточное количество пищевых волокон для ребенка старше одного года составляет 8–13 г на 1000 ккал потребленной энергии. Рекомендуемое суточное количество для ребенка можно приблизительно подсчитать по формуле «возраст + 7». Чрезмерное употребление пищевых волокон не рекомендуется, поскольку возникает опасность, что какое-либо необходимое организму минеральное вещество окажется связанным в труднорастворимом соединении, и организм не сможет его усвоить.

Рекомендации по увеличению потребления продуктов, богатых крахмалом и пищевыми волокнами:

• Выбирая основное блюдо, предпочтите цельнозерновые макаронные изделия или рис и поменьше соуса.
• В случае сосисок с отварным картофелем возьмите больше картофеля и меньше сосисок.
• Добавляйте фасоль и горох в рагу, овощные запеканки или тушеные блюда. Этим вы повысите содержание в блюде пищевых волокон. Действуя таким образом, можно употреблять меньше мяса, блюда становятся экономнее, также сокращается количество употребляемых насыщенных жирных кислот.
• Предпочтите цельнозерновой ржаной и пшеничный хлеб.
• Выберите цельнозерновой рис: он содержит большое количество пищевых волокон.
• Употребляйте на завтрак цельнозерновые хлопья или подмешивайте их в свои любимые хлопья.
• Каша – отлично согревающий зимний завтрак, цельнозерновые овсяные хлопья со свежими фруктами, ягодами и йогуртом – освежающий летний завтрак.
• Съедайте 3–5 ломтиков цельнозернового ржаного хлеба в день.
• Съедайте за день по меньшей мере 500 г фруктов и овощей.

Сахар

Большинство людей норовят употреблять слишком много сахара, поскольку едят много сладостей, пирожных, выпечки и других богатых сахаром продуктов, пьют прохладительные и соковые напитки. Сахаров, содержащихся в необработанных продуктах, например, во фруктах и молоке, опасаться не стоит. Прежде всего следует сокращать употребление пищи, содержащей добавленный сахар.

Сахар добавляют во многие продукты, но больше всего его содержат:

• прохладительные и соковые напитки: например, 500 мл лимонада могут содержать до 50 г, то есть 10-15 чайных ложек сахара,
• сладости, конфеты, печенье,
• варенье,
• ​пирожные, торты, булочки, пудинги,
• мороженое.

Основными недостатками многих богатых сахаром продуктов является, с одной стороны, относительно высокое содержание энергии, а с другой – как правило, довольно низкое содержание витаминов и минеральных веществ. Кроме того, многие насыщенные сахаром продукты содержат и много жира – например, шоколад, печенье, булочки, пирожные и мороженое.

Богатыми сахаром продуктами и напитками можно повредить зубы, если не уделять достаточного внимания гигиене полости рта. Зубы следует тщательно чистить не менее 2 раз в день, а между приемами пищи очищать, например, с помощью жевательной резинки. Если сахара, содержащиеся во фруктах, не так уж сильно вредят зубам, то в составе соков их структура уже расщеплена, и потому они настолько же вредны для зубов, как и любая другая богатая сахаром пища, особенно если употреблять их часто. Выпивать стакан фруктового сока в день все же рекомендуется (причем желательно вместе с пищей), поскольку он обогащает наш стол витаминами, минералами и фитохимикатами.

Употреблять меньше сахара – задача решаемая!

Углеводная недостаточность

Углеводная недостаточность

Углеводная недостаточность – болезненное состояние, связанное с недостаточным поступлением и усвоением углеводов либо с их интенсивным расходованием.

Так как углеводы играют роль быстрого источника энергии, относительный углеводный дефицит может сопровождать любое физическое перенапряжение и считается вариантом нормы. Уровень углеводов в этом случае быстро восполняется за счет резервов организма без негативных последствий. При длительном дефиците питания, а также при некоторых заболеваниях может развиваться хроническая углеводная недостаточность, последствия которой бывают необратимыми. Наиболее чувствительны к дефициту углеводов клетки нервной и мышечной ткани, которые являются основными потребителями энергии. При нехватке углеводов для восполнения энергии начинают использоваться жиры и даже белок, что может вызывать серьезные изменения в обмене веществ и влиять на работу печени и почек.

Синонимы русские

Дефицит углеводов, гипогликемия.

Синонимы английские

A Carbohydrate Deficiency, Deficiency Of Carbohydrates.

Симптомы

Симптомы углеводной недостаточности во многом зависят от ее длительности и степени выраженности. При кратковременном падении уровня сахара в крови в периоды физического или умственного перенапряжения могут отмечаться легкая слабость и усиленное чувство голода. Длительный дефицит углеводов, сопровождающийся истощением их запаса в печени, может приводить к нарушению ее функций и развитию дистрофии (нарушению питания тканей).

Основные проявления углеводной недостаточности:

• общая слабость,
• головокружение,
• головная боль,
• голод,
• тошнота,
• обильная потливость,
• дрожь в руках,
• сонливость.
• потеря веса.

Кто в группе риска?

• Население стран с низким уровнем жизни.
• Те, кто голодает с целью снизить вес или долго придерживается низкокалорийных диет.
• Пациенты с заболеваниями поджелудочной железы, печени и почек.
• Инсулинозависимые пациенты.
• Лица, родственники которых страдают наследственными формами нарушений углеводного обмена.

Общая информация о заболевании

Наряду с жирами и белком углеводы относятся к основным компонентам пищевого рациона. Они удовлетворяют потребность организма в энергии, участвуют в расщеплении жиров и белка.

Многие люди, пытаясь сбросить вес, ошибочно урезают количество углеводов в рационе до минимума, однако полноценная утилизация жиров возможна только при достаточном количестве углеводов.

Основные функции углеводов

• Энергетическая. При расщеплении углеводов образуется значительное количество энергии, обеспечивающей практически все процессы жизнедеятельности.
• Питание мозга. Головной мозг является основным потребителем глюкозы.
• Синтетическая. Углеводы участвуют в образовании многих необходимых организму веществ. Совместно с белками они образуют некоторые ферменты, гормоны, входят в состав слюны и пищеварительных соков.
• Регуляторная. Углеводы участвуют в процессе расщепления жиров и белка.
• Пищеварительная. Стимулируют процесс пищеварения, создавая объем пищевого комка.
• Сорбирующая. Способствуют выведению из организма избытков холестерина и вредных веществ.

Разнообразие выполняемых функций обеспечивается за счет особенностей химического строения углеводов. Принято различать следующие их виды.

• Простые сахара: глюкоза, фруктоза, лактоза, сахароза. Выполняют функцию источников «быстрой» энергии, главным из которых является глюкоза. Именно она используется клетками в первую очередь и является основой питания мозга. Уровень глюкозы в крови регулируется с помощью инсулина – особого белка (гормона), вырабатываемого поджелудочной железой, – и в норме относительно постоянен. При значительном поступлении углеводов с пищей часть их используется на поддержание уровня глюкозы, а остальные резервируются в печени и мышечной ткани.
• Сложные сахара: крахмал, гликоген клетчатка и пектины.
  • Крахмал – основной углевод, поступающий с пищей. Содержится в крупах, картофеле, хлебе. В процессе переваривания расщепляется до глюкозы.
  • Гликоген, или «животный крахмал», является формой хранения углеводов в организме. Основная масса гликогена содержится в печени, где и происходит его расщепление до глюкозы при необходимости восстановления ее уровня в крови.
  • Клетчатка (целлюлоза) – практически неперевариваемый углевод, образующий оболочки семян и плодов. Клетчатка практически не участвует в углеводном обмене, но необходима организму для нормального пищеварения: создавая объем пищевого комка, она способствует насыщению и, кроме того, выведению холестерина и вредных веществ.

Таким образом, для обеспечения потребностей организма в первую очередь расходуются простые углеводы (глюкоза), уровень которых восполняется либо за счет поступления с пищей, либо за счет собственных запасов при расщеплении гликогена. Если же собственный углеводный резерв исчерпан, организм начинает использовать имеющийся жир и белки, поэтому длительная нехватка углеводов приводит к серьезным нарушениям обмена и образованию целого ряда вредных веществ, постепенно накапливающихся в крови. К числу таких веществ относятся продукты неполного расщепления жира: кетоновые тела и ацетон. Этот процесс представляет серьезную опасность и даже может привести к коме. Избыточный расход белка вызывает уменьшение мышечной массы, нарушение целого ряда жизненно важных процессов, таких как продукция гормонов, основных белков крови, пищеварительных ферментов, что чревато тяжелыми формами дистрофии, снижением работоспособности и интеллекта.

Главное проявление углеводного дефицита – это гипогликемия – низкий уровень глюкозы в крови.

Основные причины углеводной недостаточности

• Сахарный диабет – основная причина гипогликемии. Падение уровня глюкозы чаще всего связано с передозировкой инсулина (гормона, регулирующего уровень глюкозы), таблетированных сахароснижающих препаратов или же может явиться следствием нарушений режима питания, стресса или физического перенапряжения у этих пациентов.
• Физиологическая гипогликемия представляет собой незначительное кратковременное падение сахара в крови у лиц, занимающихся тяжелым физическим трудом, спортсменов в период максимальных нагрузок, а также при стрессовых ситуациях.
• Алиментарная (пищевая) углеводная недостаточность развивается при длительном голодании, например с целью снизить вес, при избыточном приеме алкоголя. Кроме того, сахар может падать из-за значительного перерыва между приемами пищи. Обычно это проявляется слабостью чувством голода.

• Инсулинома – опухоль поджелудочной железы, затрагивающая клетки, продуцирующие инсулин. По мере роста опухоли содержание инсулина в крови увеличивается и падения уровня глюкозы могут быть весьма значительными.
• Злокачественные опухоли могут стать причиной углеводной недостаточности за счет потребления глюкозы опухолевой тканью, а также при развитии синдрома опухолевой интоксикации. При распаде опухоли в кровь попадают чужеродные белки, вызывающие отравление организма. Это может приводить к снижению аппетита и к алиментарной углеводной недостаточности. Кроме того, некоторые опухоли способны производить вещества, воспринимаемые организмом как инсулин.
• Надпочечниковая недостаточность. Одной из функций гормонов, вырабатываемых надпочечниками (в основном кортизола и адреналина), является регуляция углеводного обмена, в частности образования гликогена и его обратного расщепления до глюкозы. Поэтому недостаточная функция надпочечников, а также регулирующего их работу гипофиза иногда сопровождается гипогликемией.
• Почечная недостаточность. Приводит к падению уровня глюкозы как из-за снижения аппетита (почечная интоксикация), так и из-за более длительной циркуляции инсулина в крови вследствие нарушенной почечной фильтрации.
• Заболевания печени – нарушение образования и распада гликогена в клетках печени. Например, гепатиты, цирроз печени, жировая дистрофия.
• Пищеварительные нарушения углеводного обмена объединяют врождённые и приобретенные состояния, при которых нарушается расщепление и всасывание углеводов в пищеварительном тракте.

а) Приобретенные нарушения чаще всего носят временный характер и устраняются лечением. Наиболее распространенными являются:

• снижение уровня амилазы (основной фермент пищеварительного сока, ответственный за расщепление углеводов) у пациентов с хроническим панкреатитом и опухолями поджелудочной железы;
• снижение ферментативной активности кишечного содержимого при острых и хронических кишечных инфекциях, а также после операций на тонкой кишке.

б) Врождённые ферментопатии характеризуются отсутствием или низким уровнем отдельных ферментов, отвечающих за расщепление сложных углеводов. Наиболее известным примером является врождённая недостаточность лактазы – фермента, отвечающего за усвоение молочного сахара. Заболевание выявляется у новорождённых и характеризуется вздутием живота, жидким стулом, потерей веса. В качестве лечения предлагается переход на смеси, не содержащие лактозу.

Диагностика

Углеводная недостаточность может быть заподозрена у пациентов с дефицитом массы тела, а также у лиц, входящих в группу риска: страдающих сахарным диабетом, заболеваниями печени, почек, поджелудочной железы. Для подтверждения диагноза назначаются следующие исследования.

Лабораторные исследования

• Общий анализ крови относится к числу базовых исследований, позволяющих получить представление об общем состоянии организма. Так как нарушения углеводного обмена не оказывают непосредственного влияния на клеточный состав крови, возможные изменения будут являться следствием основного процесса. Эритроциты и гемоглобин могут быть понижены. Лейкоциты. Изменение числа лейкоцитов для углеводной недостаточности нехарактерно, их количество может уменьшаться на фоне общего истощения.

• Скорость оседания эритроцитов (СОЭ). Значительное повышение СОЭ в сочетании с гипогликемией может указывать на наличие опухоли.
• Глюкоза (сахар крови). Определение уровня глюкозы является базовым исследованием в диагностике углеводной недостаточности. Стабильно низкие показатели глюкозы бывают вызваны врождённым гиперинсулинизмом и опухолями поджелудочной железы. При сахарном диабете и передозировке сахароснижающих препаратов уровень сахара при повторных исследованиях будет повышен.
• Инсулин в крови. Инсулин является одним из основных регуляторов углеводного обмена, отвечающим за уровень сахара в крови и обеспечивающим накопление гликогена в клетках печени. Повышенный уровень инсулина как причина низкого сахара крови может наблюдаться у пациентов с инсулиномой (злокачественной инсулинпродуцирующей опухолью поджелудочной железы) и с врождённым гиперинсулинизмом, а также при передозировке инсулина у пациентов с сахарным диабетом.
•  Определение уровня проинсулина в крови может назначаться при подозрении на инсулинпродуцирующую опухоль поджелудочной железы. Проинсулин – белок – предшественник инсулина и в значительном количестве может определяться в крови пациентов с инсулиномой, гипогликемией, почечной и печеночной недостаточностью.
• С-пептид. Представляет собой фрагмент белка – предшественника инсулина. Количество его пропорционально количеству образующегося инсулина, но так как С-пептид не участвует в обменных процессах, то его определение дает более достоверную информацию об уровне секреции этого гормона поджелудочной железой. Повышенный уровень С-пептида у пациентов после удаления гормонально активных опухолей поджелудочной железы может указывать на рецидив.
• Глюкозотолерантный тест. Определение уровня глюкозы крови до приема раствора глюкозы и через полчаса, 1 час и через 2 часа после него назначается пациентам при подозрении на нарушенное усвоение углеводов.
• Белок в сыворотке крови бывает понижен при углеводной недостаточности из-за использования белка в качестве источника энергии.
• Белковые фракции сыворотки крови. Исследование количественного состава и соотношения различных видов белка в сыворотке крови. Общий белок сыворотки представлен альбуминами и глобулинами, выполняющими в организме различные функции. Основную часть составляет альбумин – основной строительный белок организма. Так как при углеводной недостаточности альбумины начинают использоваться для восполнения энергозатрат, уровень их в плазме может снижаться при сохраненном показателе глобулинов.
• Мочевина и креатинин в сыворотке крови. Мочевина и креатинин являются веществами, образующимися в процессе распада белков. При выраженной углеводной недостаточности, сопровождающейся разрушением белка, их количество в крови может увеличиваться. Показатель следует оценивать вместе с уровнем мочевины в суточной моче.
• Мочевина в суточной моче отражает эффективность работы почек. При интенсивном распаде белка и сохраненной почечной функции может существенно повышаться.
• Лактаза (LCT). Выявление мутации C(-13910)T (регуляторная область гена). Исследование может быть назначено при подозрении на врождённый недостаток лактазы – пищеварительного фермента, обеспечивающего усвоение молочного сахара в желудочно-кишечном тракте. Представляет собой генетический анализ на измененные гены в соскобе щечной области. Положительный тест позволяет отличить врождённый дефицит фермента от приобретенных нарушений усвоения углеводов, как, например, при дисбактериозе.
• Кортизол. Гормон коры надпочечников, при недостаточной продукции которого уровень глюкозы в крови может снижаться. Исследование назначается при подозрении на надпочечниковую недостаточность как причину гипогликемии.
• Общий анализ мочи с микроскопией при углеводной недостаточности назначают для определения уровня ацетона в моче. При углеводном дефиците организм начинает использовать запасы жира для восполнения энергозатрат. Так как расщепление жира при этом механизме происходит не полностью, в крови накапливаются промежуточные вещества, в том числе и ацетон, в дальнейшем выделяемый с мочой.
• Копрограмма – исследование кала, позволяющее выявить возможные нарушения основных этапов переваривания углеводов. Оценивается химический состав каловых масс, его цвет, запах консистенция, наличие отдельных видов микроорганизмов (дисбактериоз). Исследование позволяет оценить работу основных ферментов печени, желудочного и кишечного сока, поджелудочной железы. При углеводной недостаточности, вызванной нарушенным усвоением углеводов, в каловых массах могут определяться зерна крахмала.

Дополнительные (инструментальные) методы исследования

Объем диагностических исследований зависит от предполагаемой причины углеводной недостаточности и должен определяться лечащим врачом.

• Ультразвуковое исследование печени, почек, надпочечников и поджелудочной железы относится к базовым методикам, позволяющим оценить состояние этих органов. В отличие от рентгенологических методов исследования оно не сопряжено с лучевой нагрузкой и безопасно для пациента. Ультразвук проходит сквозь мягкие ткани до исследуемого органа и, отразившись, возвращается обратно. Полученное изображение передается на монитор. Исследование позволяет оценить размеры указанных органов, структуру тканей, выявить опухолевое поражение или кисту, исключить наличие жидкости в брюшной полости. При необходимости исследование может быть дополнено взятием биопсии под УЗИ-контролем.
• Эзофагогастродуоденоскопия – непосредственный осмотр пищевода, желудка и двенадцатиперстной кишки с помощью специального зонда, на дистальном конце которого размещена видеокамера. Оценивается проходимость верхних отделов пищеварительного тракта, состояние слизистой оболочки, степень ее воспаления или атрофии. В процессе исследования может быть взят фрагмент ткани на анализ (биопсия). Наряду с ультразвуковым исследованием гастроскопия является обязательной при подозрении на алиментарный характер углеводной недостаточности.
• Энтероскопия (интестиноскопия). Осмотр тонкой кишки. Исследование по своим возможностям аналогично гастроскопии, но технически более сложно, так как предусматривает осмотр всей тонкой кишки. Оно позволяет оценить состояние слизистой оболочки, исключить эрозивное поражение, а также взять содержимое для исключения инфекционного процесса или определения уровня отдельных ферментов, например амилазы – основного фермента, участвующего в расщеплении углеводов.
• Эндосонография поджелудочной железы (эндоскопическое УЗИ) представляет собой разновидность ультразвукового исследования поджелудочной железы. Выполняется с помощью специального датчика, размещенного на конце эндоскопа. Считается «золотым стандартом» в диагностике гормонпродуцирующих опухолей, так как с его помощью можно диагностировать образования менее 1 сантиметра, не выявляемые другими методами.
• Компьютерная томография органов брюшной полости позволяет получить послойные срезы поджелудочной железы и может быть назначена пациентам с подозрением на опухоль этого органа.
• Рентгенологическое исследование может быть назначено пациентам, перенесшим операцию на тонкой кишке, для оценки ее длины и просвета. Удаление значительной части тонкого кишечника способно явиться причиной тяжелых расстройств пищеварения, в том числе и углеводной недостаточности.

Лечение

Лечение углеводной недостаточности направлено на восстановление уровня углеводов, а в более тяжелых случаях на нормализацию белкового и жирового обмена.

• Сбалансированное питание, обеспечивающее суточную потребность в углеводах. В рационе должно быть достаточное количество овощей, фруктов, зерновых продуктов (хлеба, круп). Пациенты с углеводной недостаточностью, обусловленной избыточной продукцией инсулина, должны носить с собой содержащие глюкозу таблетки, конфеты или обычный сахар. Такая коррекция режима питания может оказаться единственной необходимой мерой у пациентов с легкими формами гипогликемии. При углеводной недостаточности, обусловленной заболеваниями печени и почек, врождёнными ферментативными нарушениями, диета должна подбираться лечащим врачом с учетом особенностей течения основного заболевания.
• Медикаментозные средства:
• Отдельные пищеварительные ферменты или комплексные ферментные препараты могут быть назначены пациентам с приобретенным ферментным дефицитом.
• Специальные смеси для питания со строго подобранным углеводным составом могут назначаться пациентам с врождённым и приобретенным нарушением усвояемости отдельных углеводов. При углеводной недостаточности, сопровождающейся потерей белка, могут быть рекомендованы соответствующие белково-углеводные смеси.
• Внутривенное введение глюкозы иногда требуется пациентам с тяжелой степенью гипогликемии, особенно при наличии инсулинпродуцирующей опухоли.
• Хирургическое лечение бывает необходимо пациентам, у которых углеводная недостаточность обусловлена опухолевым процессом

Профилактика

• Полноценное питание с включением в рацион достаточного количества углеводной пищи (свежие фрукты и овощи более предпочтительны, бобовые продукты и зерновые).
• Обязательный врачебный контроль при подборе ограничительной диеты или проведении курсов лечебного голодания.
• Своевременное выявление и лечение заболеваний, увеличивающих риск нарушений углеводного обмена.

Рекомендуемые анализы

•          Общий анализ крови
•          Лейкоцитарная формула
•          Скорость оседания эритроцитов (СОЭ)
•          Глюкоза в плазме
•          Инсулин
•          Проинсулин
•          С-пептид в сыворотке
•          Глюкозотолерантный тест
•          Кортизол
•          Лактозная непереносимость у взрослых
•          Мочевина в суточной моче
•          Белок общий в сыворотке
•          Белковые фракции в сыворотке
•          Общий анализ мочи с микроскопией
•          Копрограмма

Полисахарид — описание ингредиента, инструкция по применению, показания и противопоказания

Описание полисахарида

Полисахариды – это сложные биоорганические вещества, принадлежащие к классу углеводов. Другое их название – гликаны.

Полисахарид представляет собой полимерную молекулу, состоящую из моносахаридных остатков, объединенных гликозидной связью. То есть это сложная молекула, цепочка которой построена из объединенных друг с другом остатков более простых углеводов. Структуру вещества может составлять разное количество мономеров: от десятков до сотен. Она бывает разветвленной и линейной.

Полисахариды плохо растворяются в воде либо совсем не растворяются. Они бывают бесцветными и соломенными, не имеют вкуса и запаха.

Функции полисахаридов

К полисахаридам относятся разнообразные вещества, выполняющие в организме человека различные функции:

• Энергетическая функция – гликоген, крахмал. Отвечают за накопление углеводов и снабжение организма глюкозой.
• Запасающая функция – крахмал, гликоген. Создают запас энергии в жировых тканях.
• Кофакторная – гепарин. Понижает свертываемость крови и выступает в качестве кофактора ферментативных соединений.
• Опорная – хондроитинсульфат, целлюлоза. Целлюлоза содержится в растительных стеблевых тканях, а хондроитинсульфат – в животных костных.
• Защитная – кислые гетерополисахариды. Входят в состав стенок клеток живых организмов. Входят в состав секрета, выделяемого железами, покрывающего стенки желудка, пищевода и других органов и защищающего их от механических повреждений и атак болезнетворных микроорганизмов.
• Гидроосмотическая – кислые гетерополисахариды. Отвечают за удерживание воды и ионов с положительным зарядом в клетках, не дают накопиться жидкости в пространстве между клетками.
• Структурная – кислые гетерополисахариды. Сконцентрированы в межклеточном веществе, проявляют цементирующие свойства.

Внимание! Полисахариды тяжело усваиваются в организме человека ввиду сложной структуры. Однако они крайне важны и должны присутствовать в рационе каждого человека.

Сложные углеводы улучшают пищеварение. Растворимые полимеры связываются с желчными кислотами и растворяют их, улучшая усвоение, что способствует понижению уровня холестерина в крови. Кроме того, они тормозят всасывание простых сахаров, нормализуют концентрацию липидов в крови и очищают кишечник.

Фармакологические свойства

Эко-сертифицированные полисахариды активно применяются в медицине. Они проявляют противоопухолевую, антитоксическую, противовирусную, антисклеротическую активность.

Большой интерес для медицины представляет антисклеротическое действие гликанов. Они образуют с кровяными белками комплексы, препятствующие прилипанию холестерина к сосудистым стенкам, что снижает риск атеросклероза.

Антитоксическая функция связана со способностью полимеров выводить из организма тяжелые металлы, радионуклиды, токсины, продукты метаболизма.

Гликоген и диабет — роль, хранение, высвобождение и упражнения

Гликоген — это хранимая форма глюкозы. Это большой разветвленный полимер глюкозы, который накапливается в ответ на инсулин и расщепляется на глюкозу в ответ на глюкагон

Гликоген в основном накапливается в печени и мышцах и обеспечивает организм легкодоступным источником энергии, если уровень глюкозы в крови снижается.

Роль гликогена

Энергия может храниться в организме в различных формах.

Одной формой запасенной энергии является жир, а другой — гликоген. Жирные кислоты более богаты энергией, но глюкоза является предпочтительным источником энергии для мозга, а глюкоза также может обеспечивать энергией клетки в отсутствие кислорода, например, во время анаэробных упражнений.

Гликоген, следовательно, полезен для обеспечения легкодоступного источника глюкозы для организма.

Накопление гликогена при диабете

В здоровом организме поджелудочная железа будет реагировать на более высокие уровни глюкозы в крови, например, в ответ на прием пищи, высвобождением инсулина, который снижает уровень глюкозы в крови, побуждая печень и мышцы поглощать глюкозу. из крови и храните его как гликоген.

Люди с диабетом либо не вырабатывают достаточно собственного инсулина, либо их инсулин работает недостаточно эффективно.

В результате поджелудочная железа не может достаточно эффективно реагировать на повышение уровня глюкозы в крови.

Высвобождение гликогена

Гликоген может выделяться печенью по ряду причин, в том числе:

В этих ситуациях, когда организм чувствует потребность в дополнительной глюкозе в крови, поджелудочная железа выделяет гормон глюкагон, который запускает преобразование гликогена в глюкозу для выпуска в кровоток.

Гликоген и упражнения

Гликоген играет важную роль в поддержании энергии наших мышц при выполнении упражнений. Когда мы тренируемся, наши мышцы воспользуются запасом гликогена. Глюкоза в нашей крови и гликоген, хранящийся в печени, также могут использоваться для поддержания энергии в наших мышцах.

По окончании тренировки наши мышцы пополняют запасы гликогена. Время, необходимое для полного пополнения запасов гликогена, может зависеть от того, насколько интенсивно и как долго мы тренируемся, и может варьироваться от нескольких часов до нескольких дней.

Таким образом, упражнения могут быть полезным способом снижения уровня глюкозы в крови и могут быть особенно полезны для людей с диабетом 2 типа. После упражнений мышцы будут пытаться пополнить свои запасы гликогена и, следовательно, будут принимать доступную глюкозу из крови для выполнения своих задач. таким образом, помогая снизить уровень глюкозы в крови за этот период.

Гликоген — определение, структура, функция и примеры

Определение гликогена

Гликоген — это большой разветвленный полисахарид, который является основной формой хранения глюкозы у животных и людей.Гликоген является важным резервуаром энергии; когда организму требуется энергия, гликоген расщепляется до глюкозы, которая затем попадает в гликолитический или пентозофосфатный путь или попадает в кровоток. Гликоген также является важной формой хранения глюкозы в грибах и бактериях.

Структура гликогена

Гликоген — это разветвленный полимер глюкозы. Остатки глюкозы линейно связаны α-1,4-гликозидными связями, и примерно через каждые десять остатков цепь остатков глюкозы разветвляется через α-1,6-гликозидные связи.Α-гликозидные связи образуют спиральную полимерную структуру. Гликоген гидратируется с помощью трех-четырех частей воды и образует в цитоплазме гранулы диаметром 10-40 нм. Белок гликогенин, который участвует в синтезе гликогена, находится в ядре каждой гранулы гликогена. Гликоген является аналогом крахмала, который является основной формой хранения глюкозы в большинстве растений, но крахмал имеет меньше ответвлений и менее компактен, чем гликоген.

На этих рисунках показана структура гликогена.Зеленые кружки представляют связи α-1,6 в точках ветвления, а красные кружки представляют невосстанавливающие концы цепи.

Функция гликогена

У животных и людей гликоген находится в основном в мышечных клетках и клетках печени. Гликоген синтезируется из глюкозы, когда уровень глюкозы в крови высок, и служит готовым источником глюкозы для тканей по всему телу, когда уровень глюкозы в крови снижается.

Клетки печени

Гликоген составляет 6-10% от веса печени.Когда пища попадает в организм, уровень глюкозы в крови повышается, а инсулин, выделяемый поджелудочной железой, способствует усвоению глюкозы клетками печени. Инсулин также активирует ферменты, участвующие в синтезе гликогена, такие как гликогенсинтаза. Хотя уровни глюкозы и инсулина достаточно высоки, цепи гликогена удлиняются за счет добавления молекул глюкозы, этот процесс называется гликонеогенезом. По мере снижения уровня глюкозы и инсулина синтез гликогена прекращается. Когда уровень глюкозы в крови падает ниже определенного уровня, глюкагон, выделяемый поджелудочной железой, подает сигнал клеткам печени о расщеплении гликогена.Гликоген расщепляется посредством гликогенолиза на глюкозо-1-фосфат, который превращается в глюкозу и попадает в кровоток. Таким образом, гликоген служит главным буфером уровней глюкозы в крови, сохраняя глюкозу, когда ее уровень высокий, и высвобождая глюкозу, когда уровни низкие. Распад гликогена в печени имеет решающее значение для поставки глюкозы для удовлетворения энергетических потребностей организма. Помимо глюкагона, расщепление гликогена также стимулируют кортизол, адреналин и норадреналин.

Мышечные клетки

В отличие от клеток печени, гликоген составляет всего 1-2% от веса мышц.Однако, учитывая большую мышечную массу в теле, общее количество гликогена, хранящегося в мышцах, больше, чем в печени. Мышцы также отличаются от печени тем, что гликоген в мышцах поставляет глюкозу только мышечным клеткам. Мышечные клетки не экспрессируют фермент глюкозо-6-фосфатазу, который необходим для выброса глюкозы в кровоток. Глюкозо-1-фосфат, образующийся при расщеплении гликогена в мышечных волокнах, превращается в глюкозо-6-фосфат и обеспечивает мышцы энергией во время тренировки или в ответ на стресс, например, в реакции «бей или беги».

Другие ткани

Помимо печени и мышц, гликоген в меньших количествах обнаружен в других тканях, включая эритроциты, лейкоциты, клетки почек и некоторые глиальные клетки. Кроме того, гликоген используется для хранения глюкозы в матке, чтобы обеспечить энергетические потребности эмбриона.

Грибы и бактерии

Микроорганизмы обладают механизмами для хранения энергии, чтобы справиться в случае ограниченных ресурсов окружающей среды, а гликоген представляет собой основную форму хранения энергии.Ограничение питательных веществ (низкий уровень углерода, фосфора, азота или серы) может стимулировать образование гликогена в дрожжах, в то время как бактерии синтезируют гликоген в ответ на легкодоступные источники углеродной энергии с ограничением других питательных веществ. Рост бактерий и спорообразование дрожжей также были связаны с накоплением гликогена.

Гомеостаз гликогена — это строго регулируемый процесс, который позволяет организму накапливать или выделять глюкозу в зависимости от его энергетических потребностей. Основными этапами метаболизма глюкозы являются гликогенез, или синтез гликогена, и гликогенолиз, или распад гликогена.

Гликогенез

Для синтеза гликогена требуется энергия, которую обеспечивает уридинтрифосфат (UTP). Гексокиназы или глюкокиназа сначала фосфорилируют свободную глюкозу с образованием глюкозо-6-фосфата, который фосфоглюкомутазой превращается в глюкозо-1-фосфат. Затем UTP-глюкозо-1-фосфатуридилилтрансфераза катализирует активацию глюкозы, при которой UTP и глюкозо-1-фосфат реагируют с образованием UDP-глюкозы. В синтезе гликогена de novo белок гликогенин катализирует присоединение UDP-глюкозы к самому себе.Гликогенин представляет собой гомодимер, содержащий остаток тирозина в каждой субъединице, который служит якорем или точкой присоединения глюкозы. Затем к восстанавливающему концу предыдущей молекулы глюкозы добавляются дополнительные молекулы глюкозы, чтобы сформировать цепочку из примерно восьми молекул глюкозы. Затем гликогенсинтаза удлиняет цепь, добавляя глюкозу через α-1,4-гликозидные связи.

Разветвление катализируется амило- (1,4–1,6) -трансглюкозидазой, также называемой ферментом разветвления гликогена.Фермент разветвления гликогена переносит фрагмент из шести-семи молекул глюкозы от конца цепи к C6 молекулы глюкозы, расположенной дальше внутри молекулы гликогена, образуя α-1,6 гликозидные связи.

Гликогенолиз

Глюкоза удаляется из гликогена с помощью гликогенфосфорилазы, которая фосфоролитически удаляет одну молекулу глюкозы с невосстанавливающего конца, давая глюкозо-1-фосфат. Глюкозо-1-фосфат, образующийся при расщеплении гликогена, превращается в глюкозо-6-фосфат, процесс, для которого требуется фермент фосфоглюкомутаза.Фосфоглюкомутаза переносит фосфатную группу с фосфорилированного серинового остатка в активном центре на C6 глюкозо-1-фосфата, продуцируя глюкозо-1,6-бисфосфат. Затем глюкозо-C1-фосфат присоединяется к серину активного центра в фосфоглюкомутазе, и высвобождается глюкозо-6-фосфат.

Гликогенфосфорилаза не способна расщеплять глюкозу по точкам ветвления; для разветвления требуется амило-1,6-глюкозидаза, 4-α-глюканотрансфераза или фермент, разветвляющий гликоген (GDE), который обладает активностью глюкотрансферазы и глюкозидазы.Примерно через четыре остатка от точки ветвления гликогенфосфорилаза не может удалить остатки глюкозы. GDE отщепляет последние три остатка разветвления и присоединяет их к C4 молекулы глюкозы на конце другой ветви, затем удаляет последний α-1,6-связанный остаток глюкозы из точки разветвления. GDE не удаляет α-1,6-связанную глюкозу из точки разветвления фосфорилитически, что означает, что высвобождается свободная глюкоза. Эта свободная глюкоза теоретически могла бы высвобождаться из мышц в кровоток без действия глюкозо-6-фосфатазы; однако эта свободная глюкоза быстро фосфорилируется гексокиназой, предотвращая ее попадание в кровоток.

Глюкозо-6-фосфат, образующийся в результате распада гликогена, может превращаться в глюкозу под действием глюкозо-6-фосфатазы и попадать в кровоток. Это происходит в печени, кишечнике и почках, но не в мышцах, где этот фермент отсутствует. В мышцах глюкозо-6-фосфат вступает в гликолитический путь и обеспечивает клетку энергией. Глюкозо-6-фосфат также может вступать в пентозофосфатный путь, что приводит к выработке НАДФН и пяти углеродных сахаров.

Упражнения и истощение гликогена

При упражнениях на выносливость спортсмены могут испытывать истощение гликогена, при котором большая часть гликогена истощается из мышц.Это может привести к сильной усталости и затруднениям при движении. Истощение гликогена можно уменьшить, постоянно потребляя углеводы с высоким гликемическим индексом (высокая скорость превращения в глюкозу в крови) во время упражнений, которые заменят часть глюкозы, потребляемой во время упражнений. Также можно использовать специальные режимы упражнений, которые заставляют мышцы использовать жирные кислоты в качестве источника энергии с большей скоростью, тем самым разрушая меньше гликогена. Спортсмены также могут использовать углеводную загрузку, потребление большого количества углеводов, чтобы увеличить способность к хранению гликогена.

Примеры болезней накопления гликогена

Есть две основные категории болезней накопления гликогена: болезни, возникающие в результате дефектного гомеостаза гликогена в печени, и болезни, возникающие в результате дефектного гомеостаза гликогена в мышцах. Заболевания, вызванные недостаточным хранением гликогена в печени, обычно вызывают гепатомегалию (увеличение печени), гипогликемию и цирроз (рубцевание печени). Заболевания, вызванные недостаточным хранением гликогена в мышцах, обычно вызывают миопатии и нарушение обмена веществ.Примеры болезней накопления гликогена включают болезнь Помпе, болезнь Макардла и болезнь Андерсена.

Болезнь Помпе

Болезнь Помпе вызывается мутациями в гене GAA , который кодирует лизосомальную кислотную α-глюкозидазу, также называемую кислой мальтазой, и поражает скелетные и сердечные мышцы. Кислая мальтаза участвует в распаде гликогена, а мутации, вызывающие заболевание, приводят к пагубному накоплению гликогена в клетке. Существует три типа болезни Помпе: взрослая форма, ювенильная форма и младенческая форма, которые становятся все более тяжелыми.Инфантильная форма приводит к смерти в возрасте от одного до двух лет, если ее не лечить.

Болезнь Макардла

Болезнь Макардла вызывается мутациями в гене PYGM , который кодирует миофосфорилазу, изоформу гликогенфосфорилазы, присутствующую в мышцах. Симптомы часто наблюдаются у детей, но болезнь может быть диагностирована только в зрелом возрасте. Симптомы включают мышечную боль и усталость, и заболевание может быть опасным для жизни, если не лечить должным образом.

Болезнь Андерсена

Болезнь Андерсена вызывается мутацией в гене GBE1 , который кодирует фермент ветвления гликогена, и поражает мышцы и печень.Симптомы обычно наблюдаются в возрасте нескольких месяцев и включают задержку роста, увеличение печени и цирроз. Осложнения болезни могут быть опасными для жизни.

Тест

1. Что лучше всего описывает функцию гликогена?
A. Обеспечивает структурную поддержку мышечным клеткам
B. Фактор транскрипции, регулирующий дифференцировку клеток
C. Хранит глюкозу в растениях
D. Буферизует уровни глюкозы в крови и служит легко мобилизуемым источником энергии

Ответ на вопрос № 1

D правильный.Гликоген — это основная форма хранения глюкозы у животных и людей. Гликоген синтезируется при высоком уровне глюкозы в крови и расщепляется при низком уровне глюкозы в крови, что делает его важным буфером уровней глюкозы в крови. Когда клетке или организму требуется энергия, гликоген служит важным источником энергии, обеспечивая глюкозой ткани по всему телу.

2. Какой главный гормон стимулирует распад гликогена?
A. Глюкагон
B. Щитовидная железа
C. Инсулин
D. Эстроген

Ответ на вопрос № 2

A правильный. Глюкагон, который вырабатывается в ответ на низкий уровень сахара в крови, стимулирует расщепление гликогена. Инсулин, вырабатываемый в ответ на повышенный уровень сахара в крови, стимулирует поглощение глюкозы и синтез гликогена.

3. Какова возможная судьба глюкозо-1-фосфата, производимого гликогенолизом?
A. Превращение в глюкозо-6-фосфат с последующим вступлением в гликолитический путь
B. Превращение в глюкозо-6-фосфат с последующим вступлением в пентозофосфатный путь
C. Превращение в глюкозу с последующим выбросом в кровоток
D. Все вышеперечисленное

Ответ на вопрос № 3

D правильный. В мышечных клетках глюкозо-1-фосфат превращается в глюкозо-6-фосфат фосфоглюкомутазой, после чего он может попасть в гликолитический или пентозофосфатный пути. В клетках печени глюкозо-6-фосфат превращается в глюкозу глюкозо-6-фосфатазой и попадает в кровоток.

Ссылки

• Eicke, S., Seung, D., Egli, B., Devers, EA, и Streb, S. (2017) «Повышение способности растений хранить углеводы путем создания пула гликогеноподобных полимеров. в цитозоле ». Метаболическая инженерия. 40: 23-32.
• Харгривз, М. и Рихтер, Э.А. (1988) «Регулирование гликогенолиза скелетных мышц во время упражнений». Канадский журнал спортивных наук. 13 (4): 197-203.
• Айви, Дж. Л. (1991). «Синтез мышечного гликогена до и после тренировки.» Спортивная медицина. 11 (1): 6-19.

4.4: Функции углеводов в организме

Цели обучения

• Перечислите четыре основные функции углеводов в организме человека

В организме человека есть пять основных функций углеводов. Они производят энергию, накапливают энергию, строят макромолекулы, экономят белок и способствуют метаболизму липидов.

Производство энергии

Основная роль углеводов — снабжать энергией все клетки тела.Многие клетки предпочитают глюкозу в качестве источника энергии по сравнению с другими соединениями, такими как жирные кислоты. Некоторые клетки, такие как красные кровяные тельца, способны производить клеточную энергию только из глюкозы. Мозг также очень чувствителен к низким уровням глюкозы в крови, потому что он использует только глюкозы для выработки энергии и функционирования (если только он не находится в условиях крайнего голодания). Около 70 процентов глюкозы, поступающей в организм в результате пищеварения, перераспределяется (печенью) обратно в кровь для использования другими тканями.Клетки, которым требуется энергия, удаляют глюкозу из крови с помощью транспортного белка в своих мембранах. Энергия глюкозы поступает из химических связей между атомами углерода. Энергия солнечного света требовалась для образования этих высокоэнергетических связей в процессе фотосинтеза. Клетки нашего тела разрывают эти связи и захватывают энергию для клеточного дыхания. Клеточное дыхание — это в основном контролируемое сжигание глюкозы по сравнению с неконтролируемым сжиганием. Клетка использует множество химических реакций на нескольких ферментативных этапах, чтобы замедлить высвобождение энергии (без взрыва) и более эффективно улавливать энергию, удерживаемую в химических связях в глюкозе.

Первая стадия распада глюкозы называется гликолизом, который происходит в сложной серии из десяти стадий ферментативных реакций. Второй этап распада глюкозы происходит в органеллах энергетической фабрики, называемых митохондриями. Один атом углерода и два атома кислорода удаляются, что дает больше энергии. Энергия этих углеродных связей переносится в другую область митохондрий, делая клеточную энергию доступной в той форме, которую клетки могут использовать.

Клеточное дыхание — это процесс извлечения энергии из глюкозы.

Накопитель энергии

Если у тела уже достаточно энергии для поддержания своих функций, избыток глюкозы сохраняется в виде гликогена (большая часть которого хранится в мышцах и печени). Молекула гликогена может содержать более пятидесяти тысяч отдельных единиц глюкозы и сильно разветвлена, что обеспечивает быстрое распространение глюкозы, когда она необходима для выработки клеточной энергии (рисунок \ (\ PageIndex {1} \)).

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \) : Структура гликогена делает возможным его быструю мобилизацию в свободную глюкозу для питания клеток.

Количество гликогена в организме в любой момент времени эквивалентно примерно 4000 килокалорий — 3000 в мышечной ткани и 1000 в печени. Продолжительное использование мышц (например, упражнения более нескольких часов) может истощить запас энергии гликогена. Это называется «ударом о стену» или «ударом о стену» и характеризуется утомляемостью и снижением работоспособности. Ослабление мышц наступает потому, что для преобразования химической энергии жирных кислот и белков в полезную энергию требуется больше времени, чем для глюкозы.После продолжительных упражнений гликоген уходит, и мышцы должны больше полагаться на липиды и белки как на источник энергии. Спортсмены могут умеренно увеличить запас гликогена, снизив интенсивность тренировок и увеличив потребление углеводов до 60-70 процентов от общего количества калорий за три-пять дней до соревнований. Людям, которые не занимаются жесткими тренировками и предпочитают пробегать 5-километровый забег ради развлечения, не нужно есть большую тарелку макарон перед гонкой, поскольку без длительных интенсивных тренировок не произойдет адаптации повышенного гликогена в мышцах.

Печень, как и мышца, может накапливать энергию глюкозы в виде гликогена, но в отличие от мышечной ткани она жертвует накопленную энергию глюкозы другим тканям организма, когда уровень глюкозы в крови низкий. Примерно четверть общего содержания гликогена в организме находится в печени (что эквивалентно примерно четырехчасовому запасу глюкозы), но это сильно зависит от уровня активности. Печень использует этот запас гликогена как способ поддерживать уровень глюкозы в крови в узком диапазоне между приемами пищи.Когда запасы гликогена в печени истощаются, глюкоза производится из аминокислот, полученных в результате разрушения белков, чтобы поддерживать метаболический гомеостаз.

Строительные макромолекулы

Хотя большая часть поглощаемой глюкозы используется для производства энергии, часть глюкозы превращается в рибозу и дезоксирибозу, которые являются важными строительными блоками важных макромолекул, таких как РНК, ДНК и АТФ (Рисунок \ (\ PageIndex {2} \)). Глюкоза дополнительно используется для образования молекулы НАДФН, который важен для защиты от окислительного стресса и используется во многих других химических реакциях в организме.Если вся энергия, способность накапливать гликоген и потребности организма в наращивании удовлетворяются, избыток глюкозы может быть использован для производства жира. Вот почему диета с высоким содержанием углеводов и калорий может прибавить лишнего веса — тема, которая будет обсуждаться в ближайшее время.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \) : Дезоксирибоза из молекулы сахара используется для построения основы ДНК. © Shutterstock

Экономный белок

В ситуации, когда недостаточно глюкозы для удовлетворения потребностей организма, глюкоза синтезируется из аминокислот.Поскольку молекулы для хранения аминокислот отсутствуют, этот процесс требует разрушения белков, в первую очередь из мышечной ткани. Наличие достаточного количества глюкозы в основном предохраняет расщепление белков от использования для производства глюкозы, необходимой организму.

Липидный метаболизм

По мере повышения уровня глюкозы в крови использование липидов в качестве источника энергии подавляется. Таким образом, глюкоза дополнительно «сберегает жир». Это связано с тем, что повышение уровня глюкозы в крови стимулирует высвобождение гормона инсулина, который говорит клеткам использовать глюкозу (вместо липидов) для производства энергии.Достаточный уровень глюкозы в крови также предотвращает развитие кетоза. Кетоз — это нарушение обмена веществ, возникающее в результате повышения содержания кетоновых тел в крови. Кетоновые тела — это альтернативный источник энергии, который клетки могут использовать при недостаточном поступлении глюкозы, например, во время голодания. Кетоновые тела являются кислыми, и высокое содержание в крови может привести к тому, что она станет слишком кислой. Это редко встречается у здоровых взрослых, но может возникать у алкоголиков, людей с недостаточным питанием и у людей с диабетом 1 типа.Минимальное количество углеводов в рационе, необходимое для подавления кетоза у взрослых, составляет 50 граммов в день.

Углеводы имеют решающее значение для поддержки самой основной функции жизни — производства энергии. Без энергии не происходит ни один из других жизненных процессов. Хотя наш организм может синтезировать глюкозу, это происходит за счет разрушения белка. Однако, как и все питательные вещества, углеводы следует потреблять в умеренных количествах, поскольку их слишком много или слишком мало в рационе может привести к проблемам со здоровьем.

Ключевые выводы

• Четыре основные функции углеводов в организме — обеспечивать энергию, накапливать энергию, строить макромолекулы и сберегать белок и жир для других целей.
• Энергия глюкозы хранится в виде гликогена, большая часть которого находится в мышцах и печени. Печень использует свой запас гликогена, чтобы поддерживать уровень глюкозы в крови в узком диапазоне между приемами пищи. Некоторая глюкоза также используется в качестве строительных блоков важных макромолекул, таких как РНК, ДНК и АТФ.
• Присутствие достаточного количества глюкозы в организме предохраняет расщепление белков от использования для производства глюкозы, необходимой организму.

Обсуждение стартеров

1. Обсудите две причины, по которым важно включать углеводы в свой рацион.
2. Почему организму необходимо экономить белок?

Углеводы, белки, жиры и сахар в крови

Обзор темы

Организм использует три основных питательных вещества для своего функционирования — углеводы, белки и жиры.

Эти питательные вещества перевариваются в более простые соединения. Углеводы используются для получения энергии (глюкозы). Жиры используются для получения энергии после того, как они расщепляются на жирные кислоты. Белок также можно использовать для получения энергии, но первая задача — помочь в производстве гормонов, мышц и других белков.

Питательные вещества, необходимые организму, и для чего они используются

Тип питательного вещества	Где находится	Как это используется
Углеводы (крахмалы и сахар)	Хлеб Зерна Фрукты Овощи Молоко и йогурт Продукты с сахаром	Разлагается на глюкозу, используется для снабжения клеток энергией.Экстра хранится в печени.
Белок	Мясо Морепродукты Бобовые Орехи и семена Яйца Молочная продукция Овощи	Разлагается на аминокислоты, используется для наращивания мышц и производства других белков, необходимых для функционирования организма.
Жир	Масла Сливочное масло Яичные желтки Продукты животного происхождения	Разлагается на жирные кислоты, образуя клеточные оболочки и гормоны. Экстра хранится в жировых клетках.

После еды уровень сахара (глюкозы) в крови повышается по мере переваривания углеводов.Это сигнализирует бета-клеткам поджелудочной железы выбросить инсулин в кровоток. Инсулин помогает глюкозе проникать в клетки организма и использовать ее для получения энергии. Если для получения энергии не требуется вся глюкоза, часть ее откладывается в жировых клетках и в печени в виде гликогена. Когда сахар переходит из крови в клетки, уровень глюкозы в крови возвращается к нормальному диапазону между приемами пищи.

Некоторые гормоны и процессы помогают регулировать уровень сахара в крови и поддерживать его в определенном диапазоне (от 70 мг / дл до 120 мг / дл).Когда уровень сахара в крови падает ниже этого диапазона, что может происходить между приемами пищи, у организма есть по крайней мере три способа реагирования:

• Клетки поджелудочной железы могут выделять глюкагон, гормон, который сигнализирует организму о выработке глюкозы из гликогена в организме. мышцы и печень и выпустить его в кровь.
• Когда гликоген израсходован, мышечный белок расщепляется на аминокислоты. Печень использует аминокислоты для создания глюкозы посредством биохимических реакций (глюконеогенез).
• Запасы жира можно использовать для получения энергии, образуя кетоны.

Другие гормоны могут повышать уровень сахара в крови, включая адреналин (также называемый адреналином) и кортизол, выделяемый надпочечниками, и гормон роста, выделяемый гипофизом.

Кредиты

Текущий по состоянию на: 31 августа 2020 г.

Автор: Healthwise Staff
Медицинский обзор:
Э. Грегори Томпсон, врач внутренних болезней
Адам Хусни, доктор медицины, семейная медицина
Кэтлин Ромито, доктор медицины, семейная медицина
Ронда О’Брайен, доктор медицинских наук, CDE — сертифицированный педагог по диабету
Коллин О’Коннор PhD, RD — зарегистрированный диетолог

Действует по состоянию на 31 августа 2020 г.

Автор: Здоровый персонал

Медицинский обзор: E.Грегори Томпсон, врач внутренних болезней и Адам Хусни, доктор медицины, семейная медицина и Кэтлин Ромито, доктор медицины, семейная медицина, Ронда О’Брайен, доктор медицинских наук, CDE, сертифицированный преподаватель по диабету и Коллин О’Коннор, доктор медицинских наук, зарегистрированный диетолог

Все- Модель тела для регуляции гликогена показывает критическую роль цикла субстратов в поддержании гомеостаза глюкозы в крови

Abstract

Своевременная, а иногда и быстрая метаболическая адаптация к изменениям в поставках пищи имеет решающее значение для выживания, поскольку организм переходит из состояния голодания в состояние сытости и наоборот.Эти переходы требуют серьезных метаболических изменений для поддержания энергетического гомеостаза, поскольку источник глюкозы в крови перемещается от проглоченных углеводов через запасы гликогена в печени к глюконеогенезу. Интеграция регуляции печеночного гликогена с внепеченочной энергетикой является ключевым аспектом этих адаптивных механизмов. Здесь мы используем компьютерное моделирование для изучения регуляции гликогена в печени в условиях питания и голодания в контексте модели всего тела. Модель была проверена по сравнению с предыдущими экспериментальными результатами, касающимися динамики гликогенфосфорилазы а (активной) и гликоген синтазы а.Модель качественно воспроизводила физиологические изменения, происходящие при переходе от сытого к голодному состоянию. Анализ модели показывает критическую роль в ингибировании фосфатазы гликогенсинтазы с помощью гликогенфосфорилазы a. Эта негативная регуляция приводит к высоким уровням активности гликогенсинтазы во время голодания, что, в свою очередь, увеличивает (бесполезный) круговорот субстрата, подготавливая систему к быстрому ответу после восстановления внешнего источника глюкозы. Эта работа демонстрирует, что механистическое понимание принципов конструкции, используемых схемами метаболического контроля для поддержания гомеостаза, может выиграть от включения математических описаний этих сетей в контекстные модели «всего тела», которые имитируют in vivo условия .

Сведения об авторе

Гомеостаз концентрации глюкозы в крови во время циркадных сдвигов в деятельности, связанной с выживанием, сном и доступностью пищи, имеет решающее значение для выживания млекопитающих. Этот процесс зависит от потребления глюкозы, кратковременного хранения в виде гликогена и глюконеогенеза. Интеграция анаболической и катаболической динамики гликогена в печени с энергетикой всего тела имеет решающее значение для выживания. В этой статье мы используем компьютерное моделирование, чтобы исследовать потенциальное преимущество выживания субстрата (бесполезного) цикла гликогена и предшественников гликогена.Наше моделирование в сочетании с опубликованными экспериментальными результатами других исследователей показывает, что когда организм входит в состояние голодания, активность ферментов, участвующих в синтезе гликогена, увеличивается, что приводит к усилению круговорота субстрата. Это усиление круговорота субстрата позволяет системе быстрее реагировать, как только становятся доступными новые внешние источники глюкозы. Вычислительная модель всего тела, разработанная для этой работы, позволяет изучать схему метаболического контроля в смоделированных условиях in vivo, обеспечивая функциональную информацию, которая не очевидна, когда отдельные модули схемы регуляции гликогена исследуются изолированно.

Образец цитирования: Xu K, Morgan KT, Todd Gehris A, Elston TC, Gomez SM (2011) Модель всего тела для регуляции гликогена показывает критическую роль цикла субстратов в поддержании гомеостаза глюкозы в крови. PLoS Comput Biol 7 (12): e1002272. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1002272

Редактор: Натан Д. Прайс, Институт системной биологии, Соединенные Штаты Америки

Поступила: 22 ноября 2010 г .; Одобрена: 27 сентября 2011 г .; Опубликовано: 1 декабря 2011 г.

Авторские права: © 2011 Xu et al.Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Финансирование: Финансовая поддержка этих исследований была частично предоставлена ​​за счет гранта Агентства по охране окружающей среды США (RD833825). Однако исследование, описанное в этой статье, не подвергалось экспертной оценке и анализу политики Агентства и, следовательно, не обязательно отражает точку зрения Агентства, и не следует делать вывод об официальном одобрении.Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили, что никаких конкурирующих интересов не существует.

Введение

Глюкоза является основным метаболическим топливом млекопитающих, причем ее поддержание на соответствующих уровнях в организме имеет решающее значение для нормального функционирования, в то время как нарушение регуляции связано с такими заболеваниями, как сахарный диабет, галактоземия и болезни накопления гликогена [1].Поддержание уровня глюкозы требует высокочувствительной системы управления, способной уравновешивать широкий спектр условий окружающей среды, возможно, самым основным из которых является управление усвоением питательных веществ из пищи через нерегулярные промежутки времени. В частности, переходы между состояниями сытости и голодания требуют быстрого переключения между накоплением избыточной глюкозы в форме гликогена в печени и мышцах и расщеплением этих запасов для доставки глюкозы в другие органы. У здоровых людей правильное функционирование этой системы гарантирует, что доступные питательные вещества эффективно захватываются и сохраняются в периоды избытка, а также эффективно управляются и распределяются во время голодания.

Скорость, с которой организм реагирует на эти изменения, может сыграть решающую роль в выживании. Оптимизация хранения энергии важна во время конкуренции за скудные запасы пищи, в то время как быстрая доставка этих запасов энергии во время поспешного отступления от хищников может означать разницу между жизнью и смертью [2]. Ключевым фактором в энергетике, особенно в отношении функции эритроцитов и мозга, является концентрация глюкозы в крови.

Печень является центральным органом регуляции глюкозы и гликогена и действует как главный распределитель питательных веществ через кровь в другие ткани.В голодном состоянии печень расщепляет запасы гликогена, производя глюкозу для других тканей. После еды печень переходит в состояние потребления глюкозы, захватывая почти 26% глюкозы, представленной ей портальной системой во время первого прохода [3]. Почти 10–15% [4], [5] веса печени составляют запасы гликогена при заполнении.

Регулирование глюкозы в печени осуществляется гликогеновой цепью, которая контролирует как хранение глюкозы в виде гликогена (гликогенез), так и ее расщепление на глюкозо-6-фосфат из печеночных запасов (гликогенолиз).Важным является тот факт, что гликогенолиз и гликогенез не являются результатом одной обратимой реакции, а представляют собой два отдельных, строго регулируемых пути. Двумя ключевыми молекулярными игроками в этих путях являются гликогенсинтаза (GS) и гликогенфосфорилаза (GP). GS управляет синтезом гликогена, его активность регулируется множеством механизмов, включая аллостерическую активацию, ковалентную модификацию, а также ферментативную транслокацию [6] — [8]. GP катализирует лимитирующую стадию гликогенолиза, и он также активно регулируется посредством фосфорилирования по одному остатку на Nh3-конце, а также посредством аллостерической регуляции [6] — [8].Оба эти фермента существуют в активированном (GSa и GPa), а также в инактивированном (GSb и GPb) состояниях.

Поскольку синтез гликогена и его расщепление на глюкозу происходит по разным путям, существует вероятность того, что произойдет круговорот субстрата, при котором глюкоза и гликоген постоянно взаимопревращаются. Фактически, цепь гликогена проявляет различное поведение в зависимости от уровня гликогена в печени (рис. 1). В состоянии сытости глюкоза в крови в изобилии, а уровни гликогена в печени относительно высоки, что приводит к активации GS и синтезу гликогена.Когда наступает состояние натощак, уровни гликогена в печени высоки, а уровни глюкозы в крови поддерживаются за счет расщепления этого гликогена на глюкозо-6-фосфат под действием ГПа. Наконец, в состоянии полного голодания запасы гликогена в печени существенно истощаются. Именно здесь, в контексте истощения гликогена, наблюдается чередование гликогена и глюкозо-6-фосфата [9], [10].

Рис. 1. Архитектура схемы контроля уровня гликогена в печени.

Гликоген синтезируется GSa и расщепляется на глюкозо-6-фосфат под действием ГПа.Уровни гликогена в печени показаны в состояниях «Кормление», «Натощак» и «Пост» в виде заштрихованных прямоугольников, а полные запасы гликогена в печени показаны в виде сплошного черного прямоугольника в части контура «Кормление». Стрелки указывают, какая ветвь пути активна. Цикл субстрата происходит при истощении гликогена (пустое поле), голодном состоянии.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1002272.g001

Давно предполагалось, что циклирование субстратов является общим механизмом, который потенциально может улучшить такие свойства, как чувствительность и время отклика системы, позволяя чистый синтез при наличии небольшой сдвиг в концентрациях субстрата [7], [10] — [13].Однако демонстрации езды на велосипеде и его функциональной значимости в физиологическом контексте все еще относительно редки. В этой работе мы были особенно заинтересованы в исследовании потенциальной роли цикла — отсутствие циклической архитектуры цепи гликогена, проявляющейся во время перехода от состояния сытости к состоянию голодания. Хотя польза от предотвращения цикличности субстрата очевидна, поскольку во время этого процесса энергия рассеивается в виде тепла, неясно, почему цикл гликогена выгоден в голодном состоянии, как показано на рисунке 1.

Математические модели, которые предоставляют один из способов исследования таких вопросов, были успешно применены во многих биологических областях, но их применение было ограничено в случае наук о питании [14]. Количество математических моделей метаболизма энергии в печени, связанных с хранением гликогена в печени, медленно увеличивается в ответ на интерес к влиянию физических упражнений на энергетику в случае диабета [14], диеты [15] и спортивных тренировок [ 16]. Кроме того, недавно были разработаны крупномасштабные реконструкции метаболизма, обычно основанные на моделях потока или ограничений, для систем многих органов, включая печень [17] — [21].Эти основанные на стехиометрии подходы могут использоваться для анализа соответствующей биологической сети исключительно на основе ограничений системного баланса массы и реакционной способности, когда кинетическая информация отсутствует [22], [23]. Однако, поскольку эти подходы основаны на предположениях о стационарном состоянии и не учитывают специфические кинетические свойства, они обеспечивают принципиально иной взгляд на метаболизм и метаболическую динамику, чем подробные механистические модели.

В отсутствие подходящей модели для настоящей работы, мы разработали физиологическую модель, основанную на центральной цепи управления гликогеном Hers et al.[7] и Муталик и др. [24], с биоэнергетикой всего тела, описанной в [25] — [29], а также с контурами управления с обратной связью и прямой связью, описанными в [30] — [33], для поддержания гомеостаза глюкозы в различных условиях голодания и кормления. Мы уделили особое внимание исследованию роли езды на велосипеде — архитектуры отсутствия цикла в метаболических функциях. Основываясь на предыдущих описаниях биохимического и количественного моделирования, эта модель включила гликогеновый контур печени в физиологическую систему, состоящую из мышц, жировой ткани и компартментов крови.Контролируя скорость введения глюкозы в кровоток, мы смогли смоделировать реакцию системы в широком диапазоне условий кормления / голодания. Наши результаты моделирования воспроизводят ранее опубликованные экспериментальные наблюдения и дополнительно указывают на то, что схема циклирования на Рисунке 1 обеспечивает механизм для уменьшения количества времени, необходимого для преобразования глюкозы в гликоген в состоянии натощак.

Результаты / Обсуждение

Обзор модели

Теперь мы даем краткий обзор нашей модели с полными деталями и полным набором уравнений модели, представленных в Протоколе S1.Обратите внимание, что полный пакет MATLAB вместе с файлом описания предоставляется в протоколах S2 и S3 соответственно. Код SBML также предоставляется в протоколе S4 для более широкого использования и реализации. Как отмечалось ранее, гликоген создается из глюкозы во время кормления и впоследствии разлагается с высвобождением глюкозо-6-фосфата во время голодания. Цепь печеночного гликогена, контролирующая этот процесс, встроена в гепатоцит в центре нашей физиологической модели (рис. 2). Кровь изображается в виде замкнутой петли, которая переносится по всему телу и соединяет несколько отделов тканей, включая печень, мышцы и жир.Таким образом, кровь функционирует как транспортная система в рамках нашей модели, обеспечивая ресурсы, необходимые для производства и хранения гликогена в печени во время состояния сытости, при этом унося его основной продукт распада, глюкозу, во время состояния натощак для использования другими тканями. Печень в настоящее время является наиболее детализированным отделом в этой модели, включая отдельные аспекты гликогенолиза, гликогенеза, гликолиза, глюконеогенеза, цикла TCA, липогенеза, липолиза и кетогенеза (уравнения модели см. В протоколе S1).

Рисунок 2. Схематическое изображение основных характеристик физиологической модели.

Общие принципы построения модели основаны на установленной биоэнергетической физиологии [1]. Печень, расположенная в центре этого схематического изображения «тела», содержит цепь гликогена, которая находится внутри гепатоцитов, связанных с другими органами сосудистой системой (показаны красным). Кровь в сосудистой системе перемещается по телу, перенося материалы между печенью и другими органами, с продолжительностью цикла около одной минуты.Ключ: Gluc = глюкоза; FFA = свободные жирные кислоты; Ket = кетоны; ТАГ = триацилглицерин; ACoA = ацетил-КоА; Алан = аланин. Обратите внимание, что почки, мозг и эритроциты не включены в текущую модель.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1002272.g002

Когда животное проходит через состояния питания, голодания и голодания, его тело переключается на различные типы метаболического топлива для стабилизации концентрации глюкозы в крови. Этот переход в значительной степени контролируется уровнями инсулина и глюкагона в крови, которые реципрокно вырабатываются поджелудочной железой в ответ на изменение уровня глюкозы в крови.Инсулин и глюкагон взаимно антагонистичны по отношению ко многим аспектам промежуточного метаболизма и их влиянию на биоэнергетику [25], [34]. Инсулин является ключевым регулятором углеводного и жирового обмена в организме. Он увеличивает захват глюкозы в крови с образованием триглицеридов и гликогена и подавляет такие пути, как глюконеогенез и гликогенолиз [35]. Глюкагон, с другой стороны, секретируется поджелудочной железой, когда концентрация глюкозы в крови низкая. Он подавляет гликолиз и стимулирует гликогенолиз в печени и глюконеогенез в печени за счет увеличения концентрации цАМФ [36].Повышенный уровень цАМФ, в свою очередь, активирует каскад ферментов в цепи контроля гликогена, которые усиливают деградацию молекул гликогена [7]. Инсулин и глюкагон, взаимодействуя друг с другом в сочетании с другими гормональными регуляторами, такими как лептин и адреналин, поддерживают гомеостаз глюкозы в биологических системах. Наша физиологическая модель также включает аспекты цикла Кори, где лактат из мышц и эритроцитов переносится в печень и превращается в глюкозу для повторного использования этими тканями.

Глюкоза в крови поступает из абсорбированных углеводов во время кормления до завершения пищеварения, после чего эту роль берут на себя запасы гликогена в печени. Истощение печеночного гликогена происходит в течение 12-24 часов, хотя это сильно зависит от уровня активности [7], [37]. Когда запасы гликогена в печени расходуются, уровень глюкозы в крови поддерживается за счет глюконеогенеза. В этом процессе используется энергия, полученная из жировых отложений в форме ацетил-КоА и углеродных скелетов гликогенных аминокислот.В настоящей физиологической модели гликогенные аминокислоты представлены аланином, полученным из мышц. Основными участками глюконеогенеза являются почки и печень, здесь представлены только последние. Поскольку уровень глюкозы в крови падает из-за истощения гликогена в печени, уровень инсулина в крови падает, а уровень глюкагона повышается, что приводит к биохимическим изменениям, приводящим к использованию альтернативных видов топлива в виде свободных жирных кислот и кетонов, а также к глюконеогенезу, который требует использования такой энергии. как уже упоминалось выше.

В тканях, таких как сердце и мышцы, ряд факторов регулирует использование альтернативных источников энергии, чтобы сэкономить глюкозу в крови для использования эритроцитами (что зависит исключительно от уровня глюкозы в крови [38]) и головным мозгом (что в основном зависит от уровень глюкозы в крови, но можно использовать кетоновые тела в качестве альтернативы во время голодания [39]). Наша общая биоэнергетическая модель включает ряд тканевых и биохимических компонентов, которые были выбраны на основе их связи с метаболизмом гликогена.Время этих событий и динамика инсулина в крови, глюкагона, глюкозы, свободных жирных кислот, кетонов и уровней запасов гликогена в печени в ответ на циклы голодания и кормления из нашего моделирования показаны на рисунке 3 и согласуются с теми, которые были ранее описано в [25] — [29].

Рис. 3. Результаты моделирования: динамические реакции выбранных гормонов и субстратов в течение 24-часового периода голодания.

Обратите внимание, что концентрации гормона и субстрата нормализованы по их максимальным значениям во время моделирования.Для лучшего обзора концентрация глюкозы в крови имеет множитель 0,8. Обозначения: bl gluc = глюкоза в крови; pl глюкагон = глюкагон плазмы; pl ins = инсулин плазмы; pl FFA = свободные жирные кислоты плазмы; bl ket = кетоновые тела крови.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1002272.g003

Циклический АМФ (цАМФ) индуцировал схему глюкозы-гликогена

Внутренние сигналы: цАМФ активирует каскад ферментов.

Цепь гликогена активируется внутри- и внеклеточными сигналами, включая цАМФ, глюкозу и глюкозо-6-фосфат.Когда глюкоза в крови начинает падать в постабсорбционном состоянии, глюкагон секретируется поджелудочной железой и вызывает повышение уровня цАМФ [36]. Увеличение сигнала цАМФ приводит к активации цАМФ-зависимой протеинкиназы (CAPK), которая, в свою очередь, активирует киназу фосфорилазы (PK). PK фосфорилирует GS (менее активный, b-форма) и GP (более активный, a-форма) и заставляет систему войти в катаболическое состояние, когда молекулы гликогена расщепляются для обеспечения выработки глюкозы в печени и поддержания уровня глюкозы в крови.Обратите внимание, что GP может подавляться непосредственно высокими уровнями глюкозы [10], как показано на рисунке 4. Белковая фосфатаза-1 (PP-1) является еще одним ключевым элементом в этой регуляции, действуя как первичная фосфатаза, катализирующая дефосфорилирование PK, GP. , и GS. Различные данные показывают, что GPa оказывает ингибирующее действие на дефосфорилирование (активацию) GS в условиях кормления [7], [40], как показано в нижней части рисунка 4. Это ингибирование опосредуется прямым связыванием GPa с фосфатаза гликогенсинтазы (GS-фосфатаза), главный фермент, катализирующий превращение GS из D (b — фосфорилированная, менее активная) в I (a — нефосфорилированную, активную) форму.Чтобы смоделировать этот ингибирующий эффект, мы включили константу диссоциации () между GPa и GS-фосфотазой, как впервые было предложено Mutalik et al. [24]. В целом, внутриклеточная концентрация цАМФ определяет уровень активированных киназ и фосфатаз в клетке, что, в свою очередь, определяет уровни GPa и GSa и, следовательно, скорость деградации и синтеза гликогена [7], [24].

Рисунок 4. Центральная схема управления гликогеном (изменена с рисунка 3.1 в [ 43 ]).

Прямоугольники и кружки заключают названия или сокращения ферментов и субстратов соответственно. Жирными стрелками показаны реакции в результате увеличения концентрации цАМФ. цАМФ = циклический аденозинмонофосфат; R2C2 = цАМФ-зависимая протеинкиназа; C = каталитическая субъединица R2C2; PKb = неактивная киназа фосфорилазы; PKa = активная киназа фосфорилазы; GPb = неактивная гликогенфосфорилаза; GPa = активная гликогенфосфорилаза; GSb = неактивная гликогенфосфорилаза; GSb = неактивная гликогенсинтаза; GSa = активная гликогенсинтаза; P = фосфат; г-6-р = глюкозо-6-фосфат; PP1, протеинфосфатаза-1.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1002272.g004

Как упоминалось выше, GPa инактивирует GS-фосфатазу путем прямого связывания в условиях кормления. Фактически, Stalmans et al. [40] наблюдали, что только после того, как уровни GPa упадут ниже 10% от общего фермента (a + b), GS в печени будет активирован. Также было показано, что ингибирование GS-фосфатазы GPa зависит от концентрации гликогена в печени и что для этого ингибирования требуется минимальное количество гликогена [41], [42].Следовательно, уровень ингибирования GS-фосфатазы с помощью GPa сильно зависит как от состояния активации, вызванного внешней глюкозой и гормональными сигналами, так и от внутреннего состояния запасов гликогена в печени (показано красной стрелкой на рисунке 4). Поскольку это ингибирование индуцируется прямым связыванием GPa с GS-фосфатазой, один из способов моделирования разницы в ингибировании — использование константы диссоциации () этих двух ферментов, как впервые было предложено Mutalik et al. [24]. Обратите внимание, что в их работе a of было установлено, чтобы соответствовать состоянию голодания, а a of соответствовало состоянию сытости.Как описано ниже, мы аналогичным образом используем константу диссоциации GS-фосфатазы и ГПа в качестве средства для моделирования несоответствия ферментативной активности в состояниях сытости и голодания. За подробным обсуждением отсылаем читателей к [24].

Внешние сигналы: инсулин, глюкагон и цАМФ.

Инсулин и глюкагон — два ключевых гормона, которые регулируют и регулируют концентрацию глюкозы в крови. Концентрации этих двух гормонов регулируются уравнениями [43] 🙁 1) (2) где и — скорости базальной секреции, и — скорости разложения инсулина и глюкагона, соответственно.Мы предполагаем, что скорость высвобождения инсулина в кровь увеличивается с увеличением уровня глюкозы в соответствии с кинетикой Хилла с коэффициентом Хилла. Максимальная скорость индуцированного инсулина высвобождения равна, а концентрация глюкозы, при которой эта скорость составляет половину максимальной, равна. Точно так же, чтобы смоделировать снижение глюкагона при высоких уровнях глюкозы в крови, мы предполагаем, что скорость высвобождения глюкагона уменьшается в соответствии с кинетикой Хилла. Коэффициент Хилла равен, максимальная скорость индуцированного высвобождения равна, а концентрация глюкозы, при которой скорость высвобождения составляет половину от максимальной, равна.Значения параметров в двух вышеупомянутых уравнениях выбраны таким образом, чтобы концентрации инсулина и глюкагона находились в диапазоне и взяты из физиологически релевантных диапазонов, определенных в исследованиях на грызунах [27].

цАМФ является вторичным мессенджером, который регулируется как инсулином, так и глюкагоном. После падения уровня глюкозы в крови цАМФ активирует CAPK в соответствии со следующей реакцией: (3) Вышеупомянутая реакция включает две стадии и приводит к высвобождению 2 молекул каталитической субъединицы C из CAPK с помощью 4 молекул цАМФ.Уравнение, определяющее концентрацию цАМФ, тогда [43] 🙁 4) где мы предполагаем кинетику типа Михаэлиса-Ментен для регуляторных функций инсулина и глюкагона в отношении цАМФ. Две константы Михаэлиса-Ментен и были установлены как средние значения концентраций глюкагона и инсулина и, соответственно, в то время как параметры, участвующие в активации CAPK, взяты из [24].

Количество каталитической субъединицы C определяет уровень активности GP и GS [7], [24]. Вместе эти два фермента регулируют метаболизм гликогена в печени: если GS более активен, система преобразует избыточную глюкозу в гликоген для кратковременного хранения; если GP в основном активен, система использует гликоген для производства глюкозы для удовлетворения потребностей других органов.Уравнение для концентрации гликогена имеет вид [43] 🙁 5), где мы снова используем кинетику Михаэлиса-Ментен для описания ферментативной активности.

Наконец, концентрации глюкозы в печени и крови приведены в уравнениях (6) и (7) соответственно [43], где и — скорости транспорта глюкозы из кровотока в печень, жировую ткань и мышцы, а — реакция Скорость превращения глюкозы в g6p и g6p обратно в глюкозу — это скорость разложения глюкозы в крови и функция питания глюкозы в крови, которая может изменяться при различных режимах питания.(6) (7)

Степень цикличности субстрата зависит от константы диссоциации

Муталик и Венкатеш [24] вычислили кривые зависимости реакции от дозы ферментов в цепи гликогена на основе их эмпирически полученных входных функций для глюкозо-6-фосфата (G6p) и цАМФ. Опять же, мы отмечаем, что константа диссоциации () GS-фосфатазы и ГПа является ключевым фактором в определении количества циклического цикла субстрата в установившемся состоянии. Фактически, Муталик и др. [24] определили различные физиологические состояния на основе значения, где меньшее значение () соответствовало состоянию сытости, а большее () соответствовало состоянию голодания.Мы использовали аналогичный подход для построения кривых доза-ответ для этих ферментов. В отличие от [24], схема гликогена была включена в четырехкомпонентную физиологическую модель. В результате динамика цАМФ и глюкозо-6-фосфата моделировалась непосредственно в нашей модели, и вся система может быть смоделирована более реалистично, просто контролируя концентрацию глюкозы в плазме.

Кривые доза-реакция для GSa и GPa при двух указанных значениях показаны на рисунке 5.Здесь система была запущена в устойчивое состояние с фиксированной концентрацией глюкозы в крови между 5 мМ и 10 мМ, что является типичным диапазоном для экспериментов с кормлением натощак на грызунах [27], [44] — [46]. При увеличении константы от до точка кроссовера ГПа и GSa сдвигалась от более высокой концентрации глюкозы к более низкой (от до) с соответственно более высокой активированной фракцией (от 5% до 60%). Эта фракция представляет собой максимальный процент одновременной активности обоих ферментов, таким образом, это показатель степени цикличности субстрата в системе.Отметим, что ингибирующий эффект GPa на активацию GS через прямое связывание с GS фосфатазой частично высвобождается с большим.

Рисунок 5. График фракционной активации GPa и GSa в зависимости от концентрации глюкозы в крови при двух выбранных

. A: соответствует более сильному связыванию между гликогенфосфорилазой а (GPa) и GS-фосфатазой, что приводит к сильному ингибированию активации гликогенсинтазы (GSa). B: соответствует более слабому связыванию между GPa и GS-фосфатазой, где ингибирование GPa частично снимается.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1002272.g005

Время реакции на синтез гликогена уменьшается с увеличением значения в состоянии истощения гликогена

Из приведенного выше обсуждения очевидно, что ингибирование активации GS посредством GPa посредством прямой регуляции GS-фосфатазы варьируется в зависимости от состояния голодания. Чем больше, тем выше максимальное количество циклов субстрата (коактивированная фракция GS и GP) в устойчивом состоянии.Здесь мы дополнительно исследовали динамику GS и GP, но в контексте истощенной гликогеном печени.

Чтобы смоделировать реакцию системы на глюкозу в состоянии истощения гликогена, мы обеспечили постоянный ввод глюкозы и запустили моделирование до устойчивого состояния. Затем мы постепенно снижали поступление глюкозы и ждали, пока гликоген в печени полностью не истощится. Затем поступление глюкозы повторно поступало в кровоток в виде ступенчатой ​​функции при t = 0, после чего наблюдалась динамика гормональных, ферментных и субстратных ответов.Результаты для двух значений и показаны на рисунке 6А. Отметим, что период наблюдения начался в. Подробное описание функции подачи глюкозы в плазме представлено на рисунке S5 в протоколе S1.

Рис. 6. Кривые зависимости выбранных ферментов и субстратов от времени.

A: Кривые времени отклика GSa и GPa для двух выбранных после того, как стимул глюкозы попадает в кровоток при истощенной гликогеном печени. Переход GSa и GPa происходит через 13,4 и 30,6 минут соответственно.B: Концентрация гликогена в печени в зависимости от времени для двух выбранных.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1002272.g006

На рисунках 6A – B показаны активности отдельных ферментов и концентрация гликогена в зависимости от времени. Обратите внимание, что «концентрация гликогена» здесь и в более позднем контексте относится к количеству глюкозы, превращенной в гликоген, поскольку одна молекула гликогена включает неопределенное количество (сотни или тысячи) субъединиц глюкозы. При этом запасы гликогена в печени полностью истощены, и ГП в основном активен (более 70% в форме и ).Внезапное увеличение концентрации глюкозы в крови привело к переходу от GP-доминантного к GS-доминантному сценарию. Было существенное различие в том, когда и где произошло пересечение кривых активности GPa и GSa для двух выбранных значений. Ниже точка пересечения произошла на 60% и (Рисунок 6A — левая панель). Напротив, эта точка сместилась на 5% и с рисунком 6B, правая панель.

На рис. 6В показана концентрация гликогена в печени как функция времени. Опять же, наблюдения начались там, где возобновилось поступление глюкозы в кровь.Легко заметить было медленное, но почти мгновенное увеличение концентрации гликогена при уровне ниже (черная линия с точками). Напомним, что при этом значении уровень ингибирования фосфатазы GS с помощью GPa был значительно снижен, что позволило сосуществовать 60% GSa и GPa. Напротив, концентрация гликогена в печени оставалась на незначительном уровне до тех пор, пока с (сплошная линия с квадратами) цикличность субстрата не снизилась до 5%. Таким образом, система смогла быстро отреагировать на стимул глюкозы и запустить немедленный синтез гликогена с более высоким уровнем цикла субстрата.В обоих случаях произошло резкое изменение скорости синтеза гликогена там, где пересекаются GSa и GPa (15 минут и 30,6 минут соответственно).

Далее мы исследовали взаимосвязь между временем отклика системы и уровнем цикла субстрата в печени с истощенным гликогеном. Вместо двух значений (отмеченных красным квадратом () и треугольником () на рисунке 7) мы рассмотрели диапазон значений от до. Есть два разных способа определить время реакции системы на стимул глюкозы: (1) время, когда кривые GSa и GPa пересекаются, или (2) время, когда концентрация гликогена превышает пороговое значение.Мы выбрали пороговое значение 0,5 мМ, концентрация гликогена, достигнутая в конце моделирования () с наименьшей. Кривые времени отклика для обоих определений были показаны на Фигуре 7A в виде синей и черной линий соответственно. Различия во времени отклика, показанные на обеих кривых, составляли порядка 30 минут между наибольшим и наименьшим. На рисунке 7B мы представили процент совместной активности GS и GP в точке пересечения.

Результаты этого анализа дают возможное объяснение того, почему биологическая система имеет разные метаболические механизмы (разные) при разных состояниях голодания.В состоянии истощения гликогена важно иметь высокочувствительную систему, готовую восполнить запасы энергии, как только станут доступны питательные вещества. Наши результаты моделирования ясно показали, что высокая степень цикличности субстрата, происходящая в состоянии натощак, ускоряла реакцию системы в этом отношении примерно на 30 минут, что было бы физиологически значимым для выживания. И наоборот, избегание цикличности субстрата в сытом состоянии также желательно с точки зрения расхода энергии, поскольку комбинация реакций с участием GS, GP, глюкозо-1-фосфатуридилтрансферазы и нуклеозиддифосфаткиназы приводит к реакции с потреблением АТФ ().

Сравнение с экспериментами

Мы показали, что уровень ингибирования GS-фосфатазы с помощью ГПа через константу диссоциации или, что эквивалентно, уровень субстратного цикла, определяет время отклика системы в печени с обедненным гликогеном. Предыдущие исследования показали, что это ингибирование зависит от гликогена [41], [42]. Watts et al. [47] сообщили, что активность GS-фосфатазы снижалась в печени голодных, накормленных и gsd / gsd (нарушение накопления гликогена в печени) мышей, а добавление гликогена к гомогенатам печени голодных крыс снижало активность гликоген-синтазной фосфатазы.Совсем недавно Армстронг и др. [48] ​​указали, что существуют уникальные сайты связывания для GPa, PP-1 и гликогена в субъединице нацеливания на гликоген в печени протеинфосфатазы 1 (), GS-фосфатазы, специфичной для печени. Следовательно, разумно предположить, что эта ингибирующая регуляция изменяется в зависимости от уровня гликогена в печени. Мы смоделировали этот эффект, используя следующее выражение для константы диссоциации: (8) где [глик] — концентрация гликогена в печени,,, и константа Хилла.Обратите внимание, что параметры были выбраны в соответствии с экспериментальными результатами [49], как показано на рисунке 8.

Рис. 8. Предыдущие экспериментальные результаты Hue et al.

Активность гликогенфосфорилазы a (GPa) и гликоген синтазы a (GSa) в гепатоцитах в условиях питания (A) и натощак (B) перерисована из экспериментальных результатов Hue et al. [49]). Слева направо, сверху вниз на панелях A и B: 4 увеличения концентрации глюкозы с 5,5 до 55 мМ в среде инкубации вызвали последовательную инактивацию гликогенфосфорилазы и активацию гликогенсинтазы.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1002272.g008

Мы сравнили прогнозы нашей модели с экспериментальными исследованиями, в которых изучались уровни GS и GP в печени после еды и натощак в модельной системе грызунов [49]. В этой работе Hue et al. измеряли активность GP и GS с течением времени в изолированных гепатоцитах при последовательном изменении концентрации глюкозы (от 5,5 мМ до 55 мМ) в среде инкубации. Результаты этого исследования были перерисованы на Рисунке 8.

Важно отметить, что мы сравниваем моделирование «всего тела» с результатами, полученными на культивируемых клетках, которые не взаимодействуют с событиями, вызванными другими тканями, такими как жир и мышцы.Однако это сравнение демонстрирует явное сходство между этими данными клеточных культур и нашим моделированием в отношении ответов цепи регуляции гликогена на концентрацию глюкозы в крови. Мы начали наше моделирование в устойчивом состоянии с кормлением и установили систему модели на два разных времени: 250 и 1200 минут, чтобы представить печень после еды и голодания соответственно. В моделировании для печени с кормлением было выбрано время голодания 250 минут, чтобы воссоздать среду голодания, как показано в начале экспериментов (рис. 8A), где GP в основном находится в активной форме, а более 90% GS находится в неактивной форме [ 49].Обратите внимание, что через 250 минут уровень гликогена в печени составлял примерно 75% от стабильного состояния с кормлением. В моделировании для печени натощак было выбрано 1200 минут, после которых осталось менее 1% гликогена. Затем мы сравнили реакцию обеих печенек при 4 разных нормах кормления глюкозой (), как показано на Рисунке 9. Поскольку мы проводили наши наблюдения только после того, как глюкоза снова поступила в кровоток, мы сдвинули время моделирования вперед на 250 минут и 1200. мин в сытой и голодной печени и обозначили их как.

Рисунок 9. Результаты моделирования путем компьютерного моделирования (параллельное сравнение с , рис. 8, ).

Активности гликоген-синтазы а (закрашенные кружки) и гликогенфосфорилазы а (светлые кружки) нанесены на график в зависимости от времени при 4 различных скоростях поступления глюкозы в печень с пищей (A) и голоданием (B). Слева направо, сверху вниз:. Обратите внимание, что по оси ординат отложено процентное соотношение активного фермента к общему количеству ферментов.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1002272.g009

Многие аспекты наших результатов моделирования совпадают с экспериментальными наблюдениями [49].Например, моделирование и эксперименты показали, что активация GS сильно подавляется ГПа в состоянии подпитки. При самой низкой скорости введения глюкозы GS вообще не активируется, что также наблюдалось в экспериментах Hue et al. (Рисунок 8A). Как экспериментальные, так и результаты моделирования показали, что в конце эксперимента / моделирования процент активного GS был выше в голодном, чем в сытом состоянии (). Кроме того, как в экспериментальных исследованиях, так и в моделировании GS всегда реагировал быстрее (порядка 10-15 минут, как определено точкой пересечения GSa и GPa) в обедненном гликогеном состоянии по сравнению с состоянием сытости.По мере увеличения скорости инъекции глюкозы время ответа GSa сокращалось. Обратите внимание, что концентрации гликогена из нашего моделирования представлены на рисунке S6 в протоколе S1, который также указывает на более быструю реакцию голодной печени. Хотя мы можем точно зафиксировать изменения времени ответа при различных концентрациях глюкозы, ясно, что мы рассмотрели только ограниченные аспекты соответствующих метаболических путей и связанных с ними регуляторных компонентов. Например, известно, что биоэнергетика регулируется рядом механизмов, включая пуш-пу [50] и отрицательную обратную связь, последняя является неотъемлемым компонентом наших гликоген-специфических моделей всего тела.Кроме того, регуляция уровня транскрипта необходима для фиксации вариаций концентрации ферментов, возникающих при различных условиях голодания. Такие исследования выходят за рамки нынешней модели.

Выводы

Клетки, ткани, органы, тела и популяции всех живых организмов находятся в постоянном состоянии восприятия и реакции на многочисленные внешние и самогенерируемые стимулы [51]. Петли обратной связи, как положительные, так и отрицательные, играют важную роль в гомеостатической регуляции биологических систем.Петли отрицательной обратной связи лежат в основе большинства равновесий в природе, от отношений хищник-жертва до биохимических сетей, и явно подвергаются эволюционному давлению [52]. Отрицательная обратная связь является обычным способом контроля для сигнальных сетей [53], сокращая время, необходимое для достижения устойчивого состояния [30], обеспечивая механизм для уменьшения колебаний в уровнях экспрессии белка и активности пути. В отличие от стабилизирующей активности, при наличии достаточных временных задержек отрицательная обратная связь может иметь дестабилизирующий эффект и генерировать выбросы и случайные колебания, делая шум сложной проблемой при моделировании биохимических сетей [54].Не было предпринято никаких попыток включить стохастичность в настоящие исследования. Биологические системы используют отрицательную обратную связь в сочетании с контролируемыми временными задержками как средство возбуждения функциональных колебаний. Такие внутренне генерируемые колебания в значительной степени ответственны за циркадные ритмы и клеточный цикл [55], которые в настоящей работе тесно связаны с предметом циклов кормления и голодания.

В этой работе мы разработали физиологическую модель, которая моделирует выбранные основные компоненты биоэнергетики, как описано в [25] — [27].Внешняя общая биоэнергетическая модель (внешнее кольцо на рис. 2) была создана как «испытательный стенд» [56], [57] для цепи гликогена, который позволяет моделировать схему регуляции гликогена в ответ на физиологические изменения, имитирующие эффекты голодание и питание на энергетику всего тела. Поскольку мы не смогли найти такого испытательного стенда для цепи регуляции гликогена в печени, которую мы исследовали, и поскольку такие цепи потенциально непредсказуемым образом взаимодействуют с другими системами организма через сосудистую, нервную и другие системы связи, мы попытались создать такую ​​программную платформу. для наших исследований.Анализ этой модели предполагает, что контекстно-зависимая архитектура цепи гликогена (после еды или натощак) позволяет значительно увеличить время реакции, когда организм находится в состоянии голодания. Подавление цикличности субстрата в состоянии подачи может обеспечить стратегию энергосбережения, ведущую к оптимальному хранению энергии.

Текущая работа также обеспечивает платформу для дальнейшего исследования биоэнергетических заболеваний, таких как диабет и болезнь накопления гликогена (GSD). GSD типа VI и IX, составляющие 25–30% от общего числа случаев, связаны либо с дефицитом гликогенфосфорилазы, либо с аномалией фермента, который ее активирует [58].Следовательно, крайне важно понимать метаболизм глюкозы и гликогена в окружающей среде всего тела, особенно механизмы регуляции некоторых ключевых ферментов этих путей, таких как гликогенсинтаза и гликогенфосфорилаза. Интересно, что эта работа также может быть полезна для исследования оптимизации протоколов питания спортсменов или солдат, которые должны работать в условиях стресса. Суперкомпенсация гликогена, когда способность накапливать гликоген увеличивается после истощения гликогена при употреблении высокоуглеводной диеты, является важной проблемой для производительности спортсменов.Были проведены многочисленные исследования для изучения взаимосвязи между количеством и типом потребляемых углеводов и максимальной скоростью ресинтеза гликогена [59] — [61]. Связанный интерес представляет исследование Roberts et al. [62] продемонстрировали, что метаболизм простых сахаров приводит к более высокой скорости ресинтеза гликогена, чем тот, который образуется в результате метаболизма сложных углеводов. В рамках существующей платформы вычислительной модели эти наблюдения могут быть дополнительно исследованы в непрерывном пространстве параметров, и оптимальный план питания для этих людей может быть предсказан с учетом потоков энергии.Вычислительные модели, подобные разработанной здесь, могут помочь в разработке планов питания для спортсменов и людей, страдающих биоэнергетическими проблемами, включая диабет.

Материалы и методы

Одна из целей нашей метаболической модели состояла в том, чтобы уловить ключевые особенности динамики внутренних источников энергии, от состояния питания до состояния натощак, включая глюкозу в крови, гликоген печени, свободные жирные кислоты и кетоновые тела, регулируемые плазмой. глюкагон и инсулин. Динамика этих субстратов и ферментов описана в [25] — [27], а энергетика всего тела рассмотрена в [26], [28], [29].Сводка этих временных событий приведена в [63]. Такое моделирование затем обеспечит динамическую основу для проверки поведения основных схем управления, как для гликогена в настоящем исследовании. Когда физиологическая система переходит в состояние натощак, концентрация глюкозы в крови падает, переключаясь на обратный переключатель в отношении концентраций инсулина и глюкагона в плазме [28], [36]. Затем цАМФ отвечает и передает сигнал цепи гликогена для регулирования активности GP и GS [7].В результате печеночный гликоген истощается, поскольку он катаболизируется для поддержания уровня глюкозы в крови в пределах физиологического диапазона, необходимого для выживания. Уровень свободных жирных кислот и кетоновых тел в плазме также повышается, обеспечивая альтернативное топливо для метаболизма. Диаграмма концентраций выбранных метаболитов в зависимости от времени после начала голодания представлена ​​на рисунке 3. За исключением аналогичного характерного поведения, описанного ранее в [25] — [29], наша модель также способна уловить затухающие колебания в начало нового местного стабильного государства.

Метаболические пути

Здесь мы даем краткий обзор четырех основных компонентов нашей физиологической модели, ориентированной на печень, как показано на рисунке 2. Подробное описание этих путей, уравнений модели и параметров см. В Протоколе S1. Также был проведен подробный анализ чувствительности на основе параметров, и результаты показали, что глюкоза крови нечувствительна к 10-кратным изменениям параметров, описывающих активность каждого фермента. Результаты представлены в таблицах S8 – S10 в протоколе S1.

Печень.

Как центр биоэнергетической регуляции, печень способна преобразовывать глюкозу, которая является избытком для немедленной потребности в энергии, в форму краткосрочного хранения энергии, гликоген, и использовать ее для поддержания гомеостаза глюкозы в крови на ранних стадиях голодания. Помимо своих регулирующих функций в гликогенезе и гликогенолизе, печень также способна перерабатывать аминокислоты и свободные жирные кислоты из мышечной и жировой ткани, соответственно, для стабилизации уровня глюкозы в крови при истощении гликогена в печени.Признавая ее незаменимую роль в метаболизме, печень широко моделируется в нашей физиологической сети. Восемь упрощенных путей в печени включают гликолиз, глюконеогенез, гликогенез, гликогенолиз, цикл TCA, липогенез, липолиз и кетогенез.

Жировая ткань.

Как упоминалось выше, гликоген является эффективным краткосрочным запасом энергии, поскольку он может быстро катаболизироваться, чтобы удовлетворить острую потребность в глюкозе. Однако с точки зрения длительного хранения энергии он не так эффективен, как триглицериды, которые представляют собой гораздо более компактное устройство для хранения энергии, которое в основном содержится в жировых тканях.Поскольку наша модель сосредоточена на роли печени в метаболизме, в наши симуляции включен краткий набросок метаболических взаимодействий между этим органом и органами в жировой и мышечной ткани. Важная роль жира заключается в том, что глюкоза поглощается жиром инсулинозависимым образом и сохраняется в виде триацилглицерина в жире в качестве энергетического депо, которое может управлять глюконеогенезом, когда уровень глюкозы в крови падает и требуется выработка глюкозы. Превращение глюкозы в жирные кислоты и свободные жирные кислоты в жировой ткани описано в Протоколе S1.Единственные метаболиты, моделируемые для жировой ткани, — это глюкозо-6-фосфат, ацил-КоА, триацилглицерин и свободные жирные кислоты.

Мышца.

Мышцы — еще одно важное место для хранения гликогена. Однако мышечный гликоген не может вносить непосредственный вклад в глюкозу плазмы, поскольку в мышцах отсутствует глюкозо-6-фосфатаза, важный фермент в пути глюконеогенеза. Вместо этого конечный продукт гликолиза, пируват, может образовывать лактат или аланин (наш представитель аминокислот и белков), который транспортируется в печень.Аланин является прямым субстратом для глюконеогенеза в печени, в то время как лактат помогает поддерживать уровень глюкозы в крови в течение цикла Кори, в котором лактат используется в глюконеогенезе в печени. В нашей модели мышцы моделируются как поглотитель метаболических топлив, таких как глюкоза и кетоновые тела, а также альтернативный источник энергии для производства лактата и аланина. Метаболитами, моделируемыми для мышц, являются гликоген, глюкозо-6-фосфат, пируват, лактат, аланин и кетоновые тела.

Кровь.

Для упрощения все метаболические процессы (кроме деградации) в крови игнорируются. Он служит только транспортной системой, транспортирующей питательные вещества между основными органами, моделируемыми моделью.

Все описанные выше транспортные процессы показаны на рисунке S4 в протоколе S1, и там же представлено более подробное описание.

Вклад авторов

Задумал и спроектировал эксперименты: KX KTM ATG TCE SMG. Провел эксперименты: KX ATG.Проанализированы данные: KX KTM ATG TCE SMG. Предоставленные реагенты / материалы / инструменты для анализа: KX KTM ATG TCE SMG. Написал бумагу: KX KTM TCE SMG.

Ссылки

1. 1. Девлин Т.М. (2010) Учебник биохимии с клиническими соотношениями. Нью-Джерси: Вили-Лисс.
2. 2. Парсонс П.А. (2005) Окружающая среда и эволюция: взаимодействие между стрессом, нехваткой ресурсов и энергетической эффективностью. Биол Рев Кембридж Филос Соц 80: 589–610.
3. 3.Пардридж В.М., Джефферсон Л.С. (1975) Поглощение печенью аминокислот и углеводов во время одного циркулирующего прохода. Am J Physiol 228: 1155–1161.
4. 4. Otter W, Boxtel ABTG (1971) Связь между содержанием гликогена в печени и массой печени и ее значение для энзимологии. Cell Mol Life Sci 27: 1271–1272.
5. 5. Бонжорн В.М., Латур М.Г., Беланжер П., Лавуа Дж. М. (2002) Влияние предшествующих упражнений и содержания гликогена в печени на чувствительность печени к глюкагону.J Appl Physiol 92: 188–194.
6. 6. Roach P (2002) Гликоген и его метаболизм. Curr Mol Med 2: 101–120.
7. 7. Hers H (1976) Контроль метаболизма гликогена в печени. Анну Рев Биохим 45: 167–189.
8. 8. Greenberg C, Jurczak MJ, Danos AM, Brady MJ (2006) Гликоген разветвляется: новые взгляды на роль метаболизма гликогена в интеграции метаболических путей. Am J Physiol Endocrinol Metab 291: E1 – E8.
9. 9.Роден М. (2007) Клинические исследования диабета: методы и методы. Чиестер: Wiley- Interscience. 145 с.
10. 10. Hers HG, Hue L (1983) Глюконеогенез и связанные с ним аспекты гликолиза. Анну Рев Биохим 52: 617–653.
11. 11. Айшвария К., Рачана К., Пракаш Е.С. (2005) Бесполезная цикличность в физиологических системах контроля: цена, уплаченная за точный контроль. Adv Physiol Educ 29: 132–135.
12. 12. Newsholme EA, Challissa RAJ, Crabtreeb B (1984) Субстратные циклы: их роль в улучшении чувствительности в метаболическом контроле.Trends Biochem Sci 9: 277–280.
13. 13. Chao YP, Liao JC (1994) Метаболические ответы на бесполезный цикл субстрата в Escherichia coli. J Biol Chem 269: 5122–5126.
14. 14. де Грааф А.А., Фрейдиг А.П., Де Роос Б., Джамшиди Н., Хайнеманн М. и др. (2009) Моделирование биологии пищевых систем: от молекулярных механизмов к физиологии. PLoS Comput Biol 5: e1000554.
15. 15. Холл К.Д. (2009) Прогнозирование метаболической адаптации, изменения массы тела и потребления энергии у людей.Am J Physiol Endocrinol Metab 298: E449 – E466.
16. 16. Гастин П.Б. (2001) Взаимодействие энергетической системы и относительный вклад во время максимальной нагрузки. Sports Med 31: 725–741.
17. 17. Дуарте Н., Беккер С., Джамшиди Н., Тиле И., Мо М. и др. (2007) Глобальная реконструкция метаболической сети человека на основе геномных и библиомических данных. Proc Natl Acad Sci U S A 104: 1777–1782.
18. 18. Гилле С., Беллинг С., Хоппе А., Булик С., Хоффманн С. и др.(2010) Hepatonet1: комплексная метаболическая реконструкция гепатоцита человека для анализа физиологии печени. Мол Сист Биол 6: 411.
19. 19. Jerby L, Shlomi T, Ruppin E (2010) Вычислительная реконструкция тканеспецифичных метаболических моделей: применение к метаболизму печени человека. Мол сист Биол 6: 401.
20. 20. Ма Х, Сорокин А, Мазеин А, Сельков А, Сельков Э и др. (2007) Эдинбургская реконструкция метаболической сети человека и ее функциональный анализ.Мол Сист Биол 3: 135
21. 21. Maier K, Hofmann U, Reuss M, Mauch K (2010) Динамика и контроль центрального углеродного метаболизма в клетках гепатомы. BMC Syst Biol 4: 54
22. 22. Эдвардс Дж., Ибарра Р., Палссон Б. (2001) Предсказания in silico метаболических возможностей кишечной палочки согласуются с экспериментальными данными. Nat Biotechnol 19: 125–130.
23. 23. Орт Дж., Тиле И., Палссон Б. (2010) Что такое анализ баланса потоков? Nat Biotechnol 28: 245–248.
24. 24. Муталик В., Венкатеш К. (2005) Количественная оценка каскадной системы гликогена: сверхчувствительные ответы гликогенсинтазы печени и мышечной фосфорилазы обусловлены различными регуляторными структурами. Theor Biol Med Modell 2: 19.
25. 25. Роден М., Бернройдер Э. (2003) Метаболизм глюкозы в печени у человека, его роль в здоровье и болезнях. Лучшая практика Res Clin Endocrinol Metab 17: 365–383.
26. 26. Кэхилл Г.Дж. (2006) Топливный метаболизм при голодании.Анну Рев Нутр 26: 1–22.
27. 27. Balks H, Jungermann K (1984) Регулирование периферических уровней инсулина / глюкагона печенью крысы. Eur J Biochem 141: 645–650.
28. 28. Макдональд И.А., Уэббер Дж. (1995) Кормление, голодание и голодание: факторы, влияющие на использование топлива. Proc Nutr Soc 54: 267–274.
29. 29. Фрейн К.Н. (1997) Интеграция субстратного потока in vivo: некоторые сведения о метаболическом контроле. Clin Nutr 16: 277–282.
30. 30. Алон У. (2007) Введение в системную биологию: принципы построения биологических цепей.Флорида: Chapman & Hall / CRC.
31. 31. Mangan S, Alon U (2003) Структура и функция мотива петлевой сети с прямой связью. Proc Natl Acad Sci U S A 100: 11980–11985.
32. 32. Алон У (2003) Биологические сети: Мастер как инженер. Наука 301: 1866–1867.
33. 33. Лахав Г., Розенфельд Н., Сигал А., Гева-Заторский Н., Левин А. Дж. И др. (2004) Динамика петли обратной связи p53-mdm2 в отдельных клетках. Нат Генет 36: 147–150.
34. 34. Кловер П., Муни Р.А. (2004) Гепатоциты: критические для гомеостаза глюкозы. Int J Biochem Cell Biol 36: 753–758.
35. 35. Хан К., Пессин Дж. (2002) Инсулиновая регуляция поглощения глюкозы: сложное взаимодействие внутриклеточных сигнальных путей. Диабетология 45: 1475–1483.
36. 36. Jiang G, Zhang BB (2003) Глюкагон и регуляция метаболизма глюкозы. Am J Physiol Endocrinol Metab 284: E671 – E678.
37. 37. Dohm GL, Tapscott EB, Barakat HA, Kasperek GJ (1983) Влияние голодания на истощение гликогена у крыс во время упражнений.J Appl Physiol 55: 830–833.
38. 38. Wijk R, Solinge WW (2003) Энергетические эритроциты теряются: ферментативные нарушения гликолиза эритроцитов. Кровь 106: 4034–4042.
39. 39. Magistretti PJ, Pellerin L (1996) Клеточные основы энергетического метаболизма мозга и их значение для функциональной визуализации мозга: доказательства выдающейся роли астроцитов. Cereb Cortex 6: 50–61.
40. 40. Stalmans W, Wulf H, Hue L, Hers H (1974) Последовательная инактивация гликогенфосфорилазы и активация гликоген синтетазы в печени после введения глюкозы мышам и крысам.Eur J Biochem 41: 117–134.
41. 41. Massillon D, Bollen M, Wulf H, Overloop K, Vanstapel F и др. (1995) Демонстрация цикла гликоген / глюкозо-1-фосфат в гепатоцитах голодных крыс. J Biol Chem 270: 19351-19356.
42. 42. Mvumbi L, Stalmans W (1987) Высокоаффинное связывание гликоген-синтазной фосфатазы с частицами гликогена в печени. Biochem J 246: 367–374.
43. 43. Тодд А. (2008) Включение математической модели регуляции гликогена в контекстную метаболическую структуру [Ph.Докторская диссертация. Чапел-Хилл (Северная Каролина): Университет Северной Каролины в Чапел-Хилл.
44. 44. Kelsall IR, Rosenzweig D, Cohen P (2009) Нарушение аллостерической фосфорилазы, регуляции гликоген-целевой протеинфосфатазы 1 в печени, улучшает толерантность к глюкозе in vivo. Сигнализация клетки 21: 1123–1134.
45. 45. Andrikopoulos S, Blair AR, Deluca N, Fam BC, Proietto J (2008) Оценка теста на толерантность к глюкозе у мышей. Am J Physiol Endocrinol Metab 295: E1323 – E1332.
46. 46. Klueh U, Liu Z, Cho B, Ouyang T, Feldman B и др. (2006) Непрерывный мониторинг глюкозы у нормальных мышей и мышей с преддиабетом и диабетом. Diabetes Technol Ther 8: 402–412.
47. 47. Watts C, Malthus RS (1980) Гликогенсинтаза печени у крыс с нарушением накопления гликогена. Eur J Biochem 108: 73–77.
48. 48. Armstrong CG, Doherty MJ, Cohen PTW (1998) Идентификация отдельных доменов в субъединице нацеливания на гликоген в печени протеинфосфатазы 1, которые взаимодействуют с фосфорилазой а, гликогеном и протеинфосфатазой 1.Biochem J 336: 699–704.
49. 49. Hue L, Bontemps F, Hers H (1975) Влияние глюкозы и ионов калия на взаимное превращение двух форм гликогенфосфорилазы и гликоген синтетазы в изолированных препаратах печени крыс. Biochem J 152: 105–114.
50. 50. Cortassa S, ORourke B, L WR, Aon MA (2009) Контроль и регулирование интегрированной митохондриальной функции в метаболических и транспортных сетях. Int J Mol Sci 10: 1500–1513.
51. 51.LeDuc PR, Messner WC, Wikswo JP (2011) Как подходы, основанные на контроле, входят в биологию? Анну Рев Биомед Анг 13: 369–396.
52. 52. Робертсон Д.С. (1991) Теория обратной связи и дарвиновская эволюция. Дж. Теор Биол 152: 469–484.
53. 53. Тайсон Дж. Дж., Чен К., Новак Б. (2001) Сетевая динамика и клеточная физиология. Nat Rev Mol Cell Biol 2: 908–916.
54. 54. Sun L, Becskei A (2010) Системная биология: стоимость управления с обратной связью. Природа 467: 163–164.
55. 55. Новак Б., Тайсон Дж. Дж. (2008) Принципы проектирования биохимических осцилляторов. Nat Rev Mol Cell Biol 9: 981–991.
56. 56. Цисковски М.А., Оверленд Д. (2006) Управление технологическим процессом для расширенного жизнеобеспечения, биологический испытательный стенд. Int Conf Environ Syst. 2006-01-2124.
57. 57. Чжан X, Ху К.А. (2005) Моделирование и контрольные исследования интегрированной системы биологической очистки сточных вод. Int Conf Environ Syst. 2005-01-2963.
58. 58. Дагган С., Уоткинс Дж., Уокер В. (2008) Питание в педиатрии: фундаментальные науки, клиническое применение.Онтарио: BC Decker Inc. 511 с.
59. 59. Костилл Д., Шерман В., Гинд С., Мареш С., Виттен М. и др. (1981) Роль пищевых углеводов в ресинтезе мышечного гликогена после тяжелых упражнений. Am J Clin Nutr 34: 1831–1836.
60. 60. Blom P, Hostmark A, Baage O, Kardel K, Machlum S (1987) Влияние различных сахарных диет после тренировки на скорость синтеза мышечного гликогена. Медико-спортивные упражнения 19: 491–496.
61. 61. Keizer H, Kuipers H, Van Kranenburg G, Geurten P (1987) Влияние жидкой и твердой пищи на ресинтез гликогена в мышцах, реакцию гормонов плазмы и максимальную физическую работоспособность.Int J Sports Med 8: 99–101.
62. 62. Робертс А., Нобл Д., Хайден Д., Талиор А. (1988) Простые и сложные диеты, богатые углеводами, и содержание гликогена в мышцах марафонцев. Eur J Appl Physiol 57: 70–74.
63. 63. Мюррей Р.К., Бендер Д.А., Ботам К.М., Кеннелли П.Дж., Родвелл В.В. и др. (2009) Иллюстрированная биохимия Харпера. Нью-Джерси: McGraw-Hill Medical, 28-е издание. 140 с.

Гликоген

---

2

При агрессивном раке молочной железы накапливается большое количество энергии, которая позволяет ей распространяться

Октябрь4, 2019 — Исследователи обнаружили, что агрессивный рак молочной железы накапливает гликоген в очень больших количествах, предлагая объяснение того, как клетки могут изменить свою функцию, чтобы избежать лечения, расти и распространяться. Ориентация на …

---

Роль ядерного гликогена в немелкоклеточном раке легких

12 сентября 2019 г. — Исследователи сделали прорывное открытие, которое решает загадку, давно забытую наукой, и выявили потенциально новый путь в доклинических моделях для лечения немелкоклеточного легкого…

---

Стресс-тест обнаруживает трещины в стойкости к вредоносным медицинским ошибкам

22 апреля 2021 г. — Исследования выявили критические факторы, которые позволяют опасным бактериям распространять болезнь, выживая на поверхностях в больницах и …

---

Рак яичников: быстрые шаги к широко распространенному заболеванию

6 сентября 2018 г. — Клетки рака яичников, которые взаимодействуют с фибробластами, связанными с раком, могут мобилизовать гликоген в качестве источника энергии, что приводит к пролиферации, инвазии и метастазированию.Блокирование мобилизации гликогена в …

---

Первая в мире генная терапия болезни накопления гликогена дает замечательные результаты

20 сентября 2019 г. — Редкое и смертельное генетическое заболевание печени, GSD типа Ia, поражает детей от младенчества до взрослого возраста, вызывая опасно низкий уровень сахара в крови и постоянную зависимость от потребления глюкозы в …

---

Завтрак сжигает больше углеводов во время упражнений и ускоряет метаболизм для следующего приема пищи

Авг.15, 2018 — Новое исследование показывает, что завтрак может «подготовить» организм к сжиганию углеводов во время упражнений и более быстрому усвоению пищи после работы …

---

Новый свет проливает свет на ролевые игры биологии железа в болезни

2 декабря 2019 г. — Новое исследование показывает, что система регулирования железа в организме намного сложнее, чем предполагалось изначально, и это имеет удивительные последствия как минимум для трех человек …

---

Подробное описание молекулярных эффектов физических упражнений

28 мая 2020 г. — Согласно новому исследованию, простой анализ крови может определить вашу физическую форму…

---

Выявлен иммунный драйвер старения мозга

20 января 2021 г. — Ученые из Стэнфордского университета определили ключевой фактор умственного старения и показали, что его можно предотвратить или обратить вспять, исправив сбой на переднем крае иммунной системы …

---

Новое исследование почек проливает свет на вред некоторых лекарств

24 января 2019 г. — Ученые определили фермент, который является «главным регулятором» функции почек, чрезмерное подавление которого может вызвать почечную недостаточность.Их выводы имеют значение для использования …

---

Функции углеводов в организме — питание человека [УСТАРЕЛО]

В организме человека есть пять основных функций углеводов. Они производят энергию, накапливают энергию, строят макромолекулы, экономят белок и способствуют метаболизму липидов.

Производство энергии

Основная роль углеводов — снабжать энергией все клетки тела.Многие клетки предпочитают глюкозу в качестве источника энергии по сравнению с другими соединениями, такими как жирные кислоты. Некоторые клетки, такие как красные кровяные тельца, способны производить клеточную энергию только из глюкозы. Мозг также очень чувствителен к низкому уровню глюкозы в крови, потому что он использует только глюкозу для выработки энергии и функционирования (если только он не находится в условиях крайнего голодания). Около 70 процентов глюкозы, поступающей в организм в результате пищеварения, перераспределяется (печенью) обратно в кровь для использования другими тканями. Клетки, которым требуется энергия, удаляют глюкозу из крови с помощью транспортного белка в своих мембранах.Энергия глюкозы поступает из химических связей между атомами углерода. Энергия солнечного света требовалась для образования этих высокоэнергетических связей в процессе фотосинтеза. Клетки нашего тела разрывают эти связи и захватывают энергию для клеточного дыхания. Клеточное дыхание — это в основном контролируемое сжигание глюкозы по сравнению с неконтролируемым сжиганием. Клетка использует множество химических реакций на нескольких ферментативных этапах, чтобы замедлить высвобождение энергии (без взрыва) и более эффективно улавливать энергию, удерживаемую в химических связях в глюкозе.

Первая стадия распада глюкозы называется гликолизом. Гликолиз, или расщепление глюкозы, происходит в сложной серии из десяти стадий ферментативных реакций. Второй этап распада глюкозы происходит в органеллах энергетической фабрики, называемых митохондриями. Один атом углерода и два атома кислорода удаляются, что дает больше энергии. Энергия этих углеродных связей переносится в другую область митохондрий, делая клеточную энергию доступной в той форме, которую клетки могут использовать.

Рисунок 4.10 Клеточное дыхание

Клеточное дыхание — это процесс извлечения энергии из глюкозы.

Накопитель энергии

Если у тела уже достаточно энергии для поддержания своих функций, избыток глюкозы откладывается в виде гликогена (большая часть которого накапливается в мышцах и печени). Молекула гликогена может содержать более пятидесяти тысяч отдельных единиц глюкозы и сильно разветвлена, что обеспечивает быстрое распространение глюкозы, когда она необходима для выработки клеточной энергии.

Количество гликогена в организме в любой момент времени эквивалентно примерно 4000 килокалорий — 3000 в мышечной ткани и 1000 в печени. Продолжительное использование мышц (например, упражнения более нескольких часов) может истощить запас энергии гликогена. Помните, что это называется «удар о стену» или «удар» и характеризуется утомляемостью и снижением производительности при выполнении упражнений. Ослабление мышц наступает потому, что для преобразования химической энергии жирных кислот и белков в полезную энергию требуется больше времени, чем для глюкозы.После продолжительных упражнений гликоген уходит, и мышцы должны больше полагаться на липиды и белки как на источник энергии. Спортсмены могут умеренно увеличить запас гликогена, снизив интенсивность тренировок и увеличив потребление углеводов до 60-70 процентов от общего количества калорий за три-пять дней до соревнований. Людям, которые не занимаются жесткими тренировками и предпочитают пробегать 5-километровый забег ради развлечения, не нужно есть большую тарелку макарон перед гонкой, поскольку без длительных интенсивных тренировок не произойдет адаптации повышенного гликогена в мышцах.

Печень, как и мышца, может накапливать энергию глюкозы в виде гликогена, но в отличие от мышечной ткани она жертвует накопленную энергию глюкозы другим тканям организма, когда уровень глюкозы в крови низкий. Примерно четверть общего содержания гликогена в организме находится в печени (что эквивалентно примерно четырехчасовому запасу глюкозы), но это сильно зависит от уровня активности. Печень использует этот запас гликогена как способ поддерживать уровень глюкозы в крови в узком диапазоне между приемами пищи.Когда запасы гликогена в печени истощаются, глюкоза производится из аминокислот, полученных в результате разрушения белков, чтобы поддерживать метаболический гомеостаз.

Строительные макромолекулы

Хотя большая часть абсорбированной глюкозы используется для производства энергии, некоторая часть глюкозы превращается в рибозу и дезоксирибозу, которые являются важными строительными блоками важных макромолекул, таких как РНК, ДНК и АТФ. Глюкоза дополнительно используется для образования молекулы НАДФН, который важен для защиты от окислительного стресса и используется во многих других химических реакциях в организме.Если вся энергия, способность накапливать гликоген и потребности организма в наращивании удовлетворяются, избыток глюкозы может быть использован для производства жира. Вот почему диета с высоким содержанием углеводов и калорий может прибавить лишнего веса — тема, которая будет обсуждаться в ближайшее время.

Рисунок 4.11 Химическая структура дезоксирибозы

Дезоксирибоза из молекулы сахара используется для построения основы ДНК. Изображение rozeta / CC BY-SA 3.0

Рис. 4.12 Двухцепочечная ДНК

Изображение Forluvoft / Public Domain

В ситуации, когда недостаточно глюкозы для удовлетворения потребностей организма, глюкоза синтезируется из аминокислот.Поскольку молекулы для хранения аминокислот отсутствуют, этот процесс требует разрушения белков, в первую очередь из мышечной ткани. Наличие достаточного количества глюкозы в основном предохраняет расщепление белков от использования для производства глюкозы, необходимой организму.

По мере повышения уровня глюкозы в крови использование липидов в качестве источника энергии подавляется. Таким образом, глюкоза дополнительно «сберегает жир». Это связано с тем, что повышение уровня глюкозы в крови стимулирует высвобождение гормона инсулина, который говорит клеткам использовать глюкозу (вместо липидов) для производства энергии.Достаточный уровень глюкозы в крови также предотвращает развитие кетоза. Кетоз — это нарушение обмена веществ, возникающее в результате повышения содержания кетоновых тел в крови. Кетоновые тела — это альтернативный источник энергии, который клетки могут использовать при недостаточном поступлении глюкозы, например, во время голодания. Кетоновые тела являются кислыми, и высокое содержание в крови может привести к тому, что она станет слишком кислой. Это редко встречается у здоровых взрослых, но может возникать у алкоголиков, людей с недостаточным питанием и у людей с диабетом 1 типа.Минимальное количество углеводов в рационе, необходимое для подавления кетоза у взрослых, составляет 50 граммов в день.

Углеводы имеют решающее значение для поддержки самой основной функции жизни — производства энергии.