Физиология и патология обмена углеводов

Углеводы являются необходимым компонентом растительных и животных организмов. В организм человека они поступают, главным образом, с растительной пищей, на их долю приходится 60-70% суточного рациона (до 500 г). Под влиянием пищеварительных ферментов углеводы пищи расщепляются до моносахаридов (глюкозы, фруктозы) и в таком виде всасываются в тонкой кишке.

Роль углеводов в организме человека чрезвычайно велика. Они выполняют структурную и энергетическую функции. В виде полисахаридов они входят в состав сложных углеводно-белковых и углеводно-липидных компонентов: гликопротеидов, гликолипидов и гликозаминогликанов (мукополисахаридов). Гликопротеиды и гликолипиды являются главными структурными компонентами клеточных мембран всех видов тканей. Гликозаминогликаны образуют углеводно-белковые комплексы - протеогликаны, входящие в состав соединительной ткани и определяющие её прочность и проницаемость для воды и электролитов. Полисахарид гепарин является важнейшим компонентом противосвёртывающей системы крови.

В организме углеводы могут образовываться из аминокислот (аланин, аспарагиновая и глютаминовая кислоты) и жирных кислот. Этот резервный путь пополнения количества углеводов в организма называется гликонеогенезом.

Одна из основных функций углеводов - энергетическая. При полном окислении одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ (2 молекулы на анаэробном этапе и 36 - на аэробном).

В организме человека глюкоза находится в свободной форме, главным образом, в плазме крови в пределах 3,6-5,5 ммоль/л, а также в запасной форме в виде полисахарида гликогена. Количество гликогена в различных тканях и органах неодинаково. Наиболее богаты им клетки печени (200 г) и скелетные мышцы (до 150 г). Клетки нервной системы, крови, мозгового вещества почек, семенников не имеют запасов гликогена и свои энергетические потребности обеспечивают за счёт глюкозы, поступающей из крови. Снижение содержания глюкозы в крови в первую очередь нарушает функции нервной системы. Запасы гликогена в работающих мышцах без постоянного пополнения за счёт глюкозы крови быстро истощаются. Поэтому необходимо, чтобы глюкоза в достаточном количестве поступала в активно функционирующие клетки организма и чтобы постоянно поддерживался её гомеостаз в крови.

Регуляция содержания глюкозы в крови и тканях осуществляется тремя видами регуляции: нервной, гуморальной и органной.

При снижении содержания глюкозы в крови возбуждаются клетки «сахарного центра» продолговатого мозга. От них импульсы по симпатическим нервным волокнам поступают к надпочечникам (мозговой слой), которые выбрасывают в кровь адреналин. Адреналин активизирует расщепление гликогена до глюкозы в печени и мышцах, способствуя её поступлению в кровь. Уровень глюкозы в крови нормализуется.

При повышении содержания глюкозы в крови импульсы из «сахарного центра» по парасимпатическим нервным волокнам поступают к бета-клеткам островкового аппарата поджелудочной железы. Они инкретируют инсулин, который обеспечивает утилизацию глюкозы. Инсулин обладает многосторонним действием: стимулирует поступление глюкозы и аминокислот из крови в клетки, активизирует образование жира в жировой ткани, печени и мышцах, стимулирует синтез гликогена из глюкозы и белка из аминокислот. Как активатор белково-синтетических реакций инсулин участвует и в синтезе антител.

Контринсулярным действием обладают следующие гормоны: адреналин (стимулирует гидролиз гликогена до глюкозы), глюкагон (также мобилизует глюкозу из печени), глюкокортикоиды (стимулируют гликонеогенез), тироксин и соматотропин (активируют инсулиназу, расщепляющую инсулин).

Органная регуляция углеводного гомеостаза осуществляется печенью и почками. Из глюкозы и молочной кислоты в печени синтезируется гликоген. При необходимости пополнить кровь глюкозой происходит обратный процесс - гидролиз гликогена до глюкозы. В почках глюкоза реабсорбирутся из первичной мочи, в них происходит также выведение избыточных количество глюкозы из организма. Взаимодействие всех уровней регуляции обеспечивает поддержание гомеостаза глюкозы в крови и тканях.

Нарушения обмена углеводов сопровождаются либо повышением содержания глюкозы в крови - гипергликемией (свыше 5,5 ммоль/л), либо её снижением - гипогликемией (ниже 3,6 ммоль/л). Гипергликемии могут быть панкреатического (связаны с недостаточностью инсулярного аппарата) и внепанкреатического происхождения.

Внепанкреатические гипергликемии возникают по следующим причинам:

1. Алиментарная гипергликемия обусловлена употреблением большого количества сахара. Инсулиновый аппарат и почки при этом не успевают нормализовать содержание глюкозы в крови, где её уровень повышается.

2. Нервные или эмоциональные гипергликемии являются следствием возбуждения ЦНС. Например, при сдаче экзаменов у студентов активируется симпато-адреналовая система, что сопровождается повышением содержания глюкозы в крови.

Указанные виды гипергликемий носят функциональный характер и не требуют медикаментозной коррекции.

3. Гормональные гипергликемии развиваются у больных при гиперпродукции контринсулярных гормонов. К таким заболеваниям относятся: Базедова болезнь (гипертиреоз), болезнь Иценко-Кушинга (гиперпродукция кортикотропина и глюкокортикоидов), феохромоцитома (гиперпродукция адреналина), акромегалия (гиперпродукция соматотропина). Указанные гормональные гипергликемии требуют лечения основного эндокринного заболевания.

Гипогликемии также бывают панкреатического и внепанкреатического происхождения.

Панкреатические гипогликемии часто развиваются при тяжёлых заболеваниях поджелудочной железы (например, панкреатите). При этом возникает дефицит амилазы - фермента, расщепляющего в кишечнике углеводы пищи. Вследствие этого нарушается образование и всасывание глюкозы. Развивается гипогликемия.

Внепанкреатические гипогликемии чаще всего возникают из-за нарушения переваривания и всасывания дисахаридов в тонкой кишке. Это наблюдается при наследственной патологии ферментных систем кишечника. Такие же явления возникают при поражении слизистой тонкой кишки или отравлении ферментными ядами (монойодацетатом, флоридзином).

Гипогликемические состояния могут развиваться в результате гормональных нарушений. При инсуломе - гормонально активной опухоли инсулярного аппарата - увеличивается продукция инсулина, что может привести к гипогликемической коме. Болезнь Аддисона (туберкулез надпочечников) сопровождается гипофункцией надпочечников и, следовательно, уменьшением образования контринсулярных гормонов адреналина и глюкокортикоидов. На фоне их отсутствия сильнее проявляются эффекты инсулина и развивается гипогликемия.

Гипогликемические состояния могут развиваться у больных сахарным диабетом при передозировке инсулина или других сахароснижающих медикаментов. Все перечисленные заболевания, сопровождающиеся гипогликемией, требуют лечения основного патологического процесса.

Наиболее частой причиной панкреатической гипергликемии является недостаточность инсулярного аппарата. Это заболевание известно как сахарный диабет или сахарное мочеизнурение. Термин диабет означает «проходить сквозь», что отражает один из характерных симптомов этого заболевания - полиурию (обильное мочеотделение).

В основе этиологии сахарного диабета лежит сочетание наследственной предрасположенности и различных приобретённых особенностей организма. У больных диабетом выявлены по крайней мере два рецессивных «дефектных» гена, обусловливающих наследственную функциональную слабость инсулярного аппарата. Полагают, что действие «дефектных» генов может проявляться в образовании неактивного инсулина, в нарушении превращения проинсулина в инсулин и в повышенной инактивации инсулина инсулиназой печени.

Различают два типа диабета (классификация Всемирной организации здравоохранения): 1 тип - инсулинзависимый и 2 тип - инсулиннезависимый.

Первый тип (инсулинзависимый) чаще встречается в молодом возрасте. Особое значение в его возникновении придаётся детской вирусной инфекции: паротиту (свинке), краснухе, острым вирусным респираторным заболеваниям и др. В ходе этих заболеваний развиваются аутоиммунные процессы, в результате которых поражаются и погибают бета-клетки поджелудочной железы.

Второй тип диабета более характерен для взрослых людей. В его этиологии существенную роль играет переедание и ожирение. Избыточное потребление углеводов и жиров, особенно легкоусвояемых, вызывает постоянное функциональное перенапряжение инсулярного аппарата и, как следствие, - его истощение.

Обе формы сахарного диабета быстрей возникают и развиваются на фоне белкового голодания, поражения поджелудочной железы воспалительными и опухолевыми процессами.

Частые и длительные психоэмоциональные перенапряжения сопровождаются активацией симпато-адреналовой системы, вызывают мобилизацию глюкозы в кровь и, тем самым, повышают нагрузку на инсулярный аппарат. Поэтому их также рассматривают как фактор риска диабета.

В этиологии диабета важное значение имеет увеличение продукции контринсулярных гормонов, что наблюдается при эндокринных заболеваниях. Это может привести к диабету, т.к. при этом также повышается нагрузка на инсулярный аппарат.

Таким образом, при обоих типах сахарного диабета имеется инсулиновая недостаточность, но при инсулинзависимом типе она обусловлена гибелью инсулярного аппарата, а при втором типе - инсулиннезависимом - его функциональным истощением.

Сахарный диабет сопровождается нарушением обмена веществ с преобладанием нарушения обмена углеводов. Дефицит инсулина вызывает существенное уменьшение поступления глюкозы из крови в ткани. В печени при этом повышается расщепление гликогена до глюкозы и возрастает поступление её в кровь. Таким образом, в крови содержится значительное количество глюкозы (гипергликемия), а в клетках большинства тканей организма - её дефицит. Возникает состояние, которое называют «голодом среди изобилия». Реабсорбция глюкозы в почках снижается. Глюкоза появляется в моче, повышая её осмотическое давление. По этой причине существенно усиливается диурез (полиурия). В ответ на потерю жидкости возникает жажда (полидипсия).

В условиях дефицита глюкозы в клетках ограничено её использование для энергетических нужд. В целях компенсации клетки начинают усиленно использовать для этой цели жирные кислоты, а затем и некоторые аминокислоты своих белковых структур. Этот процесс сопровождается усилением гликонеогенеза, в ходе которого образуется много кетоновых веществ (ацетона, бета-оксимасляной, ацетоуксусной кислот). Увеличение их содержания в организме называется кетозом.

Накопление кетоновых тел обусловлено ещё и тем, что они не успевают окисляться из-за нехватки окисляющих их ферментов, синтез которых обеспечивается инсулином. Кетоновые тела сдвигают рН в кислую сторону, что приводит к ацидозу. При этом может развиться кетоацидотическая гипергликемическая диабетическая кома. Её возникновение связано, в первую очередь, с повреждением кетоновыми телами нейронов головного мозга. Гипергликемическая кома - грозное осложнение диабета и требует экстренного введения инсулина.

При прогрессировании диабета, из-за повышенного катаболизма белков и поступления значительного количества жирных кислот, развивается клеточная жировая инфильтрация печени. Инфильтрированные гепатоциты погибают и замещаются соединительной тканью. Развивается цирроз. При этом значительно ослабевает белково-синтетическая функция печени и других тканей. В клетках (преимущественно гепатоцитах) замедляется включение ацетилкофермента А в дальнейшее окисление в цикле Кребса (в митохондриях). В этих условиях ацетилкофермент А утилизируется преимущественно по пути синтеза холестерина, концентрация которого в крови значительно возрастает.

Характерной патофизиологической особенностью сахарного диабета является поражение сердечно-сосудистой системы. Летальность у больных диабетом за счёт поражения сосудов достигает 75%, а инфаркты миокарда развиваются в 2-3 раза чаще, чем у лиц с нормальным обменом.

Поражения сосудистой системы (ангиопатии) разделяют на микроангиопатии (капилляропатии) и макроангиопатии. Микроангиопатии чаще всего проявляются в патологии капилляров сетчатки (ретинопатия) и почек (нефропатия). Микроангиопатии развиваются в результате увеличения и извращения синтеза гликозаминогликанов (мукополисахаридов) соединительной ткани сосудов. В результате вначале повышается проницаемость и ломкость капилляров, а затем их базальная мембрана утолщается откладывающимися гликозаминогликанами. Просвет сосудов при этом суживается и питание тканей ухудшается. Клинически ретинопатия проявляется в прогрессирующем снижении остроты зрения, вплоть до полной его потери. Макроангиопатии при диабете обусловлены атеросклерозом крупных сосудов. Это связано не только с повышением синтеза холестерина, но и с нарушением соотношений атерогенных и антиатерогенных фракций липопротеидов.

Клинически макроангиопатии чаще всего проявляются в виде ишемической болезни сердца (ИБС) и поражении сосудов ног (перемежающаяся хромота). Иногда на нижних конечностях развивается диабетическая гангрена, которая характеризуется упорным и прогрессирующим течением, нередко приводя больных к гибели.

Наряду с кровеносными сосудами при диабете страдает и сердечная мышца. Отмечено, что в 50% случаев возникает миокардиодистрофия, которая в 13% сопровождается сердечной недостаточностью.

Принципы лечения сахарного диабета заключаются в следующем:

1. Смягчение клинических проявлений болезни с помощью диетотерапии, умеренных физических нагрузок и лекарственных гипогликемических (сахароснижающих) препаратов, принимаемых внутрь (перорально).

2. Поддержание массы тела больного на оптимальном уровне.

3. Коррекция возникающих метаболических нарушений.

4. Предупреждение или задержка развития дегенеративных изменений в сосудах.

5. Назначение гипогликемических оральных препаратов.

6. Введение инсулина.

При передозировке инсулина или несоблюдении диеты (голодание) после его введения, может развиться очень тяжёлое осложнение - гипогликемическая кома. Она возникает в результате резкого снижения поступления глюкозы в нейроны ЦНС. Кома развивается быстро и требует экстренного медикаментозного вмешательства (внутривенное введение глюкозы, адреналина).