Часть III. Обмен энергетических веществ

Глава 10. ЭНДОКРИННАЯ ЧАСТЬ ПОДЖЕЛУДОЧНОЙ ЖЕЛЕЗЫ: САХАРНЫЙ ДИАБЕТ

Ф. ФЕЛИГ (PH. FELIG)

ВВЕДЕНИЕ

В 1869 г. Пауль Лангерганс гистологически идентифицировал островковые клетки, составляющие эндокринную часть поджелу­дочной железы. Это открытие было сделано через 20 лет после классических исследований Минковского и фон Меринга, пока­завших, что панкреатэктомия приводит к развитию диабета. Оно на 52 года опередило открытие инсулина в качестве продукта внутренней секреции поджелудочной железы, сделанное Banting и Best. Значение секреции островковых клеток для патологии человека подчеркивается тем обстоятельством, что, как установ­лено в настоящее время в США, сахарный диабет занимает 3-е место среди основных причин смертности, служит главной причиной слепоты, а также увеличивает риск поражений коро­нарных артерий в 4 раза или более [1].

Островки Лангерганса содержат примерно 2 млн. гроздьев бледных клеток, составляющих менее 2% от общего объема под­желудочной железы и рассеянных среди ацинарных клеток ее. По результатам исследований, проведенных с помощью гистохи­мических, ультраструктурного и иммунофлюоресцентного мето­дов, а также по продуктам гормональной секреции островковые клетки делят на три разных типа (табл. 10—1): a-клетки (А-клетки или a-2-клетки), продуцирующие глюкагон; b-клетки, проду­цирующие инсулин, и D-клетки (D-клетки или a-1-клетки), про­дуцирующие гастрин и соматостатин. Клетки всех трех типов содержат цитоплазматические гранулы в окруженных мембраной пузырьках. С помощью гистохимических методик b-клетки мож­но выявить по их окрашиваемости альдегидфуксином и отсутст­вию окрашивания нитратом серебра в реакции, предложенной Hillman-Hellerstrom. Ни a-, ни D-клетки не окрашиваются аль-

Таблица 10—1. Островковые клетки поджелудочной железы

Гормон	Тип клеток
а	О	D
Глюкагон	Инсулин	Гастрин, сома­тостатин
Световая микроскопия
Альдегидфуксин	—	+	—
Нитрат серебра	—	—	+
Электронная микроскопия
Секреторные гранулы	Плотная серд­цевина, блед­но окрашен­ная перифе­рия	Кристалловид­ные, плейо-морфные	Гомогенные, низкой плот­ности, запол­няющие мем­брану

 

дегидфуксином, но последние являются аргирофильными при окрашивании нитратом серебра [2]. При ультраструктурном ис­следовании гранулы в a-клетках обнаруживают электронноплотную сердцевину с более бледными краями, в b-клетках выявля­ются кристаллоподобные плейоморфные гранулы, тогда как D-клетки содержат менее плотные однообразные гранулы, рас­пространяющиеся до ограничивающей пузырек мембраны (рис. 10—1). Считается, что разнообразные островковые клетки возникают из нервного гребешка и вместе с другими секреторны­ми клетками (например, клетки передней доли гипофиза, мозго­вого слоя надпочечников, парафолликулярные клетки щитовид­ной железы) принадлежат к семейству, называемому APUD famine precursor uptake and decarboxylation) [3].

Из различных патологических состояний, связанных с нару­шениями эндокринной функции поджелудочной железы, сахар­ный диабет, характеризующийся абсолютной или относительной недостаточностью инсулина, по частоте намного опережает все остальные и служит главным предметом настоящей главы. На­рушения секреции глюкагона при диабете часто являются вто­ричными и только в очень редких случаях (например, при син­дроме глюкагономы) могут быть первичным фактором, опреде­ляющим нарушения обмена веществ. Они также рассматриваются далее. Последствия избыточной секреции гастрина в разделе во­обще не анализируются, а клинические синдромы, связанные с опухолями инсулинпродуцирующих b-клеток, рассматриваются в следующей главе.

Поскольку сахарный диабет характеризуется изменениями об­мена в организме всех основных энергетических веществ (угле­воды, жиры и белки) и сопровождается первичными или вторич­ными нарушениями секреции разнообразных гормонов (инсулин, глюкагон, катехоламины, гормон роста и кортизол) и/или чувст­вительности к ним, постольку следует проанализировать нормаль­ную физиологию этих субстратов и гормонов.

 

 

Рис. 10—1. Электронная микрофотография уча­стка неизмененного ост­ровка поджелудочной железы (человека), со­держащего a-, b- и D-клетки. В секреторных гранулах a-клеток (спра­ва вверху) можно ви­деть плотную централь­ную часть и бледно окрашенную перифе­рию. В b-клетках (сле­ва) содержатся плейо­морфные гранулы с кристалловидным мат­риксом. В D-клетках (в центре) секреторные гранулы гомогенны и заполняют пузырьки. Видна также D-клетка с гранулами, содержащи­ми, как полагают, гаст­рин (по Lacy P. E.,Creider М. Я. — In: DeGroot L. J. et al. (eds). En­docrinology, vol. 2. New York, Grune a. Stratton 1979).

 

ОБМЕН УГЛЕВОДОВ

Углеводы представляют собой молекулы, состоящие из трех уг­леродных атомов или более, соединенных с атомами водорода и кислорода в отношении H₂O₁, или простые производные этих ис­ходных молекул. Большинство жителей Америки и Западной Ев­ропы получают с продуктами питания 40—45% калорий в виде углеводов.

Несмотря на разнообразие форм и пищевых источников углеводов, конечными продуктами переваривания, которые всасы­ваются в кишечнике, являются гексозы: глюкоза, фруктоза и га­лактоза. Из этих простых Сахаров глюкоза по своей распро­страненности в качестве углеводного компонента пищи намного превосходит все остальные.

Поскольку внутри клеток свободная глюкоза как таковая практически отсутствует, вся поглощаемая тканями глюкоза под­вергается метаболическим превращениям (рис. 10—2). Основны­ми путями метаболизма проникшей в клетку глюкозы являются 1 — накопление в виде гликогена; 2 — окисление через гликоли­тический (анаэробный) путь до пирувата и лактата; 3 — окисле­ние через аэробный цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса) или в меньшей степени через пентозный цикл доСО₂; 4—пре-

 

Рис. 10—2. Основные пути метаболизма глюкозы у человека. вращение в жирные кис­лоты и накопление в виде триглицеридов (синтез жи­ра); 5—высвобождение из клетки в виде свободной глюкозы.

Независимо от после­дующих путей метаболиз­ма первой внутриклеточ­ной реакцией, в которой участвует глюкоза, явля­ется ее фосфорилирование в глюкозо-6-фосфат (см. рис. 10—2). В печени эта реакция контролируется двумя ферментами: гексокиназой и глюкокиназой. Гексокиназа, не специфичная в том отношении, что может воздействовать не толь­ко на глюкозу, но и на фруктозу, имеет К_М 10~⁵ М; это свидетель­ствует о том, что полунасыщение фермента происходит при кон­центрации глюкозы всего лишь 0,18 мг/100 мл. С другой стороны, глюкокиназа, катализирующая фосфорилирование глюкозы, при­мерно в 4 раза активнее, чем фруктозы, имеет К_М 10~² М, так что ее полунасыщение происходит лишь при повышении окружающей концентрации глюкозы до 180 мг/100 мл. Различия К_М этих двух ферментов играют решающую роль, поскольку в физиологических условиях гексокиназа всегда функционирует в состоянии, близком к насыщению, тогда как степень насыщенности глюкокиназы уве­личивается при физиологическом увеличении концентрации глю­козы в плазме. Активность гексокиназы в разных физиологических условиях весьма стабильна, а активность глюкокиназы снижается при голодании или диабете и повышается под влиянием инсулина. В мышцах и жировой ткани, непроницаемых для глюкозы,.присутствует только гексокиназа обладающая низкой К_М. В этих тканях ограничивающим скорость этапом метаболизма глюкозы независимо от её последующих превращений является транс­порт сахара в клетку — процесс, регулируемый инсулином (см. ниже).

 

 

СИНТЕЗ ГЛИКОГЕНА

 

Внутри клеток углеводы накапливаются в форме гликогена — по­лисахарида, состоящего из глюкозильных единиц, связанных 1,4-связями, с ответвлениями, начинающимися с 1,6-глюкозильных связей. Присоединение глюкозильных остатков с помощью 1,4-связей представляет собой ограничивающую скорость стадию синтеза гликогена и требует в качестве матрицы полисахаридной цепи, состоящей не менее чем из 4 остатков глюкозы. Реакция зависит от активности фермента гликогенсинтетазы, существую­щей в активной и неактивной формах. Фосфорилирование гли­когенсинтетазы инактивирует фермент, тогда как его активация связана с потерей фосфатных групп. Таким образом, активность гликогенсинтетазы находится в обратной зависимости от внутри­клеточного уровня циклического аденозин-3,5-монофосфата (цАМФ), который способствует фосфорилированию белков, ак­тивируя протеинкиназу. Поскольку тканевой уровень цАМФ мо­жет изменяться под действием глюкорегуляторных гормонов (по­вышается под влиянием глюкагона и адреналина и высвобождает­ся от такой гормональной индукции под влиянием инсулина), то активность гликогенсинтетазы представляет собой ключевой пункт регуляции отложения глюкозы в печени. В вопросе о том, опосредуются ли изменения активности гликогенсинтетазы глав­ным образом гормонами (например, инсулином, глюкагоном или адреналином) или субстратом (глюкоза), имеются противоречия. Hers выдвинул гипотезу, согласно которой увеличение концент­рации глюкозы в клетке само по себе может повышать актив­ность гликогенсинтетазы [4]. Такой эффект глюкозы (в присут­ствии пермиссивных концентраций инсулина) подтверждается исследованиями на перфузируемой печени, в которых повышение концентрации глюкозы с 40 до 50 мг/100 мл приводит к погло­щению сахара печенью без изменения уровня инсулина. Кроме того, результаты исследования у человека in vivo свидетельству-" ют о том, что хотя выраженная гиперинсулинемия в отсутствие гипергликемии и угнетает продукцию глюкозы печенью, это со­провождается минимальным поглощением сахара печенью. В то же время одновременная гипергликемия повышает «чистое» по­глощение глюкозы печенью [5]. Как будет показано, «чистый» баланс глюкозы через печень определяется, по всей вероятности, как уровнем глюкозы, так и глюкорегуляторными гормонами.

 

ГЛИКОГЕНОЛИЗ

Распад гликогена до глюкозы (рис. 10—3) в начальной стадии состоит из отщепления глюкозных остатков от терминальных 1,4-связей под действием фосфорилазы, отщепляющей глюкозу путем присоединения фосфата к одному углеродному атому и высвобождения глюкозо-1-фосфата. Фосфорилаза подобно гликогенсинтетазе существует в неактивной форме, которая должна активироваться. В этом случае, однако, фосфорилирование ак­тивирует, а не инактивирует фермент. Перенос фосфата с аденозинтрифосфата (АТФ) на фосфорилазу осуществляется фосфорилазокиназой. Этот фермент в свою очередь активируется цАМФ, который образуется из АТФ, под действием аденилатциклазы. Активация аденилатциклазы является основным фактором экс­прессии эффекта многих гормонов. В данном случае последовательность реакций, приводящая к активации фосфорилазы, «за­пускается» адреналином или глюкагоном. Следует отметить, однако, что опосредованная адреналином стимуляция гликогено­лиза может осуществляться и через a-адренергические механиз­мы, независимые от изменений уровня цАМФ [6]. Кроме того,

 

Рис. 10—3. Регуляция синтеза и распада гликогена. Образование гликогена требует активации гликогенсинтетазы и инактивации фосфорилазы. Эти процессы стимулируются глюкозой и/или инсулином. Распад гликогена тре­бует активации фосфорилазы и инактивации гликогенсинтетазы. Эти про­цессы стимулируются снижением уровня глюкозы и/или инсулина и повы­шением концентрации глюкагона и адреналина. Глюкагон действует опо­средованно с помощью механизма образования цАМФ, тогда как адреналин может действовать с помощью как этого (показано на рисунке), так и дру­гих механизмов (по Felig P.—In: Bondy Р. К., Rosenberg L. (eds).— Metabolic Control and Disease, 8th ed. Philadelphia, W. B. Saunders, 1979).

в а активность фосфорилазы, как и гликогенсинтетазы, может влиять изменение концентрации глюкозы в крови независимо от изменения уровня гормонов или цАМФ [4]. Так, у здоровых лиц в условиях поддержания исходной концентрации инсулина по­вышение уровня глюкозы в плазме само по себе угнетает глико­генолиз предположительно за счет снижения активности фосфо­рилазы [7].

Отделившийся от гликогена глюкозо-1-фосфат превращается в глюкозо-6-фосфат, который может затем вступать на гликолити­ческий путь (см. далее) или превращаться в свободную глюкозу. Последняя реакция катализируется глюкозо-6-фосфатазой, присут­ствующей в печени, но не в мышце. В результате стимуляция гликогенолиза в печеночной ткани приводит к высвобождению свободной глюкозы. В отличие от этого гликогенолиз в мышечной ткани приводит к высвобождению лактата и пирувата, поскольку глюкозо-6-фосфат, образовавшийся при гликогенолизе, не может превращаться в свободную глюкозу, а вступает на гликолитиче­ский путь. Таким образом, в условиях адекватного действия раз­нообразных ферментов молекула гликогена уменьшается в разме­рах, а глюкоза, лактат и пируват поступают в кровоток.

ГЛИКОЛИЗ

Гликолизом называется анаэробный распад глюкозы до пирувата и лактата. Этот катаболический процесс был первой выясненной ферментативной системой и его часто называют путем Эмбдена — Мейергофа. Он представляет собой механизм, с помощью которого химическая энергия, накопленная в виде глюкозы, ста­новится доступной для клеточных функций в форме макроэргического фосфата АТФ в результате окислительно-восстановитель­ных реакций, которые могут протекать в отсутствие кислорода. Конечным продуктом гликолиза в анаэробных условиях являет­ся лактат. В аэробных же условиях его конечный продукт — пируват, который, превращаясь в ацетил-СоА, проникает в цикл трикарбоновых кислот, или цикл Кребса, и окисляется до СО₂. Ферменты, принимающие участие в гликолизе, локализуются в цитоплазме и широко представлены практически во всех клетках организма. Однако в количественном отношении гликолиз пред­ставляет собой основной путь утилизации глюкозы только в клет­ках определенных типов: 1) эритроцитах, лишенных способности аэробного окисления; 2) скелетных мышцах, особенно в период интенсивного сокращения; 3) сердечной мышце в условиях недо­статочной перфузии (например, при поражении коронарных ар­терий).

Общий распад глюкозы до двух молекул лактата включает три одновременных и координированных процесса: 1) распад 6-углеродного скелета глюкозы — альдегида через ряд ферментативных стадий на две молекулы 3-углеродной молочной кислоты; 2) пе­ренос энергии, приводящий к «чистому» синтезу АТФ; 3) перенос электронов через ряд окислительно-восстановительных реакций.

Из 11 ферментативных реакций превращения глюкозы в мо­лочную кислоту только три являются термодинамически необра­тимыми и тем самым представляют собой потенциально регуля­торные пункты: 1) гексокиназа; 2) фосфофруктокиназа, катализирующая образование фруктозо-1, 6-дифосфата из фруктозо-1-фосфата; 3) пируваткиназа, катализирующая образование пирувата из фосфоенолпирувата. Фосфофруктокиназа является аллостерическим ферментом, стимулируемым АДФ и АМФ и ин­гибируемым большими концентрациями АТФ, цитрата и длинно­цепочечных жирных кислот [8]. Таким образом, в условиях из­бытка АТФ или ускоренного аэробного окисления, приводящего к накоплению цитрата, фосфофруктокиназа ингибируется и гли­колиз тормозится (пастеровский эффект). В противоположность этому при дефиците в клетке АТФ и торможении аэробного окис­ления фосфофруктокиназа стимулируется. Следует отметить, что хотя гексокиназная реакция также необратима, главную роль в гликолитическом пути играет все же фосфофруктокиназная реак­ция, поскольку глюкозо-6-фосфат может вступать не только в процесс гликолиза, но и в другие ферментативные превращения (см. рис. 10—2). Вследствие своей необратимости, аллостериче­ской модуляции и положения в ферментативной последователь­ности фосфофруктокиназная реакция представляет собой наибо­лее важный пункт регуляции гликолиза. Например, повышение активности фосфофруктокиназы в результате снижения уровня АТФ, вызванного сокращением мышцы, является главным меха­низмом, с помощью которого мышечная работа стимулирует гли­колиз.

Последняя стадия гликолиза это — превращение пирувата в лактат под действием лактатдегидрогеназы. В этой восстанови­тельной реакции НАД-Н, образованный ранее в процессе глико­лиза (при окислении глицеральдегида-3-фосфата в 3-фосфоглицерат), вновь превращается в НАД. Равновесие реакции сдвинуто в сторону образования лактата. Значение этой реакции заключа­ется в том, что она создает возможность продолжения гликолиза, поставляя НАД за счет образования лактата. Молочная кислота, образующаяся при гликолизе, свободно диффундирует из клетки и проникает в кровоток.

ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ

Этим термином называют образование глюкозы из неуглеводных источников. Основными субстратами-предшественниками, из ко­торых могла бы образоваться глюкоза, являются пируват, лактат, глицерин, жирные кислоты с нечетным числом углеродных ато­мов и аминокислоты. Что касается последних, то все входящие в состав тканевых белков аминокислоты, за исключением лейцина, в конце концов действительно могут превращаться в глюкозу. Однако поглощение печенью аминокислот таково, что главным глюкогенным субстратом, высвобождаемым из периферических белковых запасов, является аланин. Жирные кислоты с четным числом углеродных атомов (составляющие более 95% от общего содержания жирных кислот) в печени млекопитающих не могут превращаться в глюкозу из-за отсутствия ферментов, необходи­мых для синтеза 4-углеродных дикарбоновых кислот из ацетил-СоА de novo.

За исключением глицерина любые предшественники глюконео­генеза прежде чем превратиться в глюкозу должны превратиться в пируват и/или оксалацетат. Ферментативные стадии образова­ния глюкозы из пирувата отличаются от тех, из которых состоит гликолиз, по трем пунктам, в которых происходят термодинами­чески необратимые реакции (рис. 10—4): 1) дефосфорилирование фосфоенолпирувата с образованием пирувата; 2) фосфорилирова­ние фруктозо-1-фосфата с образованием фруктозо-1,6-дифосфата; 3) фосфорилирование глюкозы с образованием глюкозо-6-фосфата. Биологическая обратимость достигается с помощью четырех фер­ментов, принимающих участие только в глюконеогенезе: пируваткарбоксилазы, фосфоэнолпируваткарбоксикиназы; фруктозо-1,6-дифосфатазы и глюкозо-6-фосфатазы. Реакции, катализируемые этими ферментами, — ключевые регуляторные этапы глюконеоге­неза, и протекают они в печени, почках и эпителии кишечника, но не в мышцах или в сердце. С количественной стороны наибо­лее важным местом глюконеогенеза в таких физиологических условиях, как голодание или физическая нагрузка, и при таких патологических состояниях, как диабет, является печень. Почки приобретают значение в качестве органа глюконеогенеза только при очень длительном голодании [9].

 

 

Рис. 10 — 4. Глюконеоге­нез. Основные субстра­ты глюконеогенеза и ключевые ограничиваю­щие скорость фермента­тивные стадии.

Постоянная регуляция глюконеогенеза зависит от присутствия субстратов, активности ферментов и гормональной среды. В со­стоянии натощак (после ночного голодания) и при кратковре­менном голодании снижение уровня инсулина в сыворотке спо­собствует увеличению распада белка и мобилизации аминокислот, что обеспечивает снабжение процесса большим количеством пред­шественников глюкозы. В этих условиях мобилизуются и жир­ные кислоты, служащие главным субстратом окисления в печени. Вследствие этого повышается внутрипеченочный уровень ацетил-СоА, что приводит к активации ключевого фермента глюконео­генеза пируваткарбоксилазы, которая аллостерически активиру­ется ацетил-СоА. «Чистым» результатом является увеличение как уровня субстратов, так и активности ферментов, необходимых для глюконеогенеза. Однако по мере продолжения голодания в тече­ние длительных периодов ограничивающим скорость процессом становится доступность субстрата-предшественника, так как вы­свобождение аланина периферическими тканями существенно уменьшается,[10].

В отличие от голодания при большом количестве углеводов (например, в состоянии сытости) интенсивность глюконеогенеза снижается. Мобилизуется меньше жира прежде всего из-за того, что повышенная секреция инсулина, вызванная углеводами, тормозит высвобождение жирных кислот из депо (см. далее). В ре­зультате образуется меньшее количество ацетил-СоА и активность пируваткарбоксилазы снижается. Кроме того, в меньшей степени мобилизуются аминокислоты. В силу этих изменений поглощение печенью и превращение в глюкозу предшественников глюконео­генеза, особенно аланина, угнетается.

Регуляторные воздействия таких гормонов, как глюкокорти­коиды и глюкагон, на глюконеогенез реализуются также на эта­пах превращения пирувата в фосфоенолпируват (см. рис. 10—4).

При этом глюкокортикоиды влияют на глюконеогенез еще в силу своего катаболического действия на тканевые белки, что увеличи­вает количество аминокислот-предшественников.