МОДЕЛЬ ГУМОРАЛЬНОГО РЕГУЛЮВАННЯ РІВНЯ ГЛЮКОЗИ В ТКАНИНАХ ОРГАНІЗМУ

Глюкоза - основа енергетики організму, безперервно циркулює в крові. Цукровий діабет - хвороба обміну речовин, при якій систематично підвищується вміст глюкози в крові. Причина цієї хвороби - порушення регуляції цукрового гомеостазу, який може служити прикладом побудови моделей систем регулювання вищих організмів.

На рис. 9.7, а приведена дуже спрощена схема регуляції вмісту глюкози в крові людини. Відповідно до цієї схеми підшлункова залоза 1, печінку 2, тканини 3, і центральна нервова система 5 знаходяться в потоці крові 4, через який здійснюється гуморальна регуляція між різними органами. Це основні функціонально значущі підсистеми, які беруть участь в регуляції вмісту глюкози.

Наведена схема відображає одну зі специфічних особливостей взаємозв'язку реакційних кіл в організмі - просторове розділення взаємодіючих компонентів. Більшість хімічних перетворень в організмі, а також активний транспорт через клітинні мембрани проходять за допомогою ферментів і молекул білка Е. В схемі на рис. 9.7, а показані одні два гормону, що синтезуються в підшлунковій залозі, - інсулін In і глюкагон G1.

Модель гуморальної регуляції вмісту глюкози в крові (рис. 9.7, 6) включає в себе наступні сім основних стадій.

1. Вироблення інсуліну In) і глюкагону Gli підшлунковою залозою. У реакції беруть участь ферменти Е "і Ер а- і р-клітин підшлункової залози:

де Pr - профермент, який, з'єднуючись з ферментами Е а і Ер, утворює фермент-субстратні комплекси, які виділяють глюка- гон G1.

Схема гуморальної регуляції вмісту глюкози в крові людини (а) і структурно-кінетичний граф (б)

Мал. 9.7. Схема гуморальної регуляції вмісту глюкози в крові людини (а) і структурно-кінетичний граф (б):

  • 1 - підшлункова залоза; 2 - печінка; 3 - тканина; 4 - кров; 5 - центральна нервова система
  • 2. Вироблення інсуліну в печінці стимулюється глюкозою. Реакції зв'язування глюкози протікають у такий спосіб:

де 1п4 - інсулін, що надходить в кров; (Е а СН) деп - депонований глікоген.

3. Вироблення в печінці тваринного крохмалю глікогену (СН) " (п - ступінь полімеризації) і зв'язує ферменту глікоген- фосфорилаза Е / ,. Реакції зв'язування глюкагону Gl 2 і інсуліну 1п 2

в печінці (глюкагон Gb і інсулін 1п 2 діють як аллостерічеськіє Ефектори) наведені нижче:

4. Розщеплення глікогену протікає в дві стадії:

Якщо вміст (концентрація) глюкози виявляється занадто великим, то процес може піти і в зворотному напрямку.

  • 5. Надходження глюкози з печінки в кров.
  • 6. Всмоктування глюкози з крові в тканини за допомогою інсуліну. Цей процес описується реакціями

де Е, - фермент клітинних мембран; CH fc , СН ( - глюкоза, що міститься в крові і тканинах.

7. Розпад інсуліну і глюкагону в тканини (живлення клітин):

де Х4, Y 4 - продукти дезактивації гормонів.

Роль інсуліну і глюкагону в життєдіяльності організму добре вивчена. Інсулін активує фермент Е, (реакція (9.7)) і прискорює перехід глюкози (реакція (9.8)) в тканини м'язів і жирову тканину. Внаслідок такої активації вміст глюкози в крові швидко падає. Глюкагон активує фермент E h (реакція (9.7)) і прискорює деполимеризацию глікогену в печінці і м'язах з відщепленням глюкози (реакція (9.6)). В результаті вміст глюкози в крові зростає.

Збільшення вмісту глюкози в крові - стимул для клітин підшлункової залози до підвищення активності ферменту Ер, що призводить до активації секреції інсуліну (реакція (9.5)). Зменшення вмісту глюкози в крові викликає активацію ферменту Е "в а-клітинах цієї залози (реакція (9.4)) і збільшення секреції глюкагону.

В принципі схему регуляції вмісту глюкози в крові неважко описати за допомогою системи кінетичних рівнянь. Однак навіть наближено наведена вище схема включає в себе 14 оборотних у напрямку і пов'язаних між собою процесів. Для точного опису динаміки цієї реакційної мережі необхідно знати 28 констант швидкості, велика частина значень яких невідома або відома лише приблизно. Тому точні рішення системи кінетичних рівнянь, які можуть бути отримані чисельними методами, дають кількісну інформацію лише про принципово можливі траєкторії системи.

У зв'язку зі сказаним велику роль набувають методи спрощення багатовимірних систем рівнянь і методи якісної теорії диференціальних рівнянь. Ці методи дозволяють встановити загальні риси поведінки біосистеми - фазовий портрет в просторі концентрацій або мас компонентів, взаємодіючих між собою, без рішення багатовимірної системи рівнянь.

Методи якісної теорії дозволяють зробити висновок, що автоколебательний характер релаксації біохімічних систем до вихідного стану після імпульсного збурення пов'язаний з наявністю принаймні одного автокаталитического ланки в реакційній ланцюга. Такі реакції є в розглянутій схемі реакцій регуляції вмісту глюкози в крові.

Наприклад, збільшення вмісту глюкози в соотвсгствіі з реакцією (9.6) підвищує вміст інсуліну в крові і, як наслідок, абсорбцію глюкози тканинами м'язів (реакція (9.7)).

Були проведені дослідження, в ході яких у здорових і хворих на діабет людей вранці брали проби на «цукор». При цьому пацієнти брали певну кількість глюкози (25 ... 100 г), потім періодично встановлювалося вміст глюкози в крові.

Дослідження показали, що у здорових людей спостерігається коливальний процес авторегуляции вмісту глюкози самим організмом. Отримані залежності (рис. 9.8) свідчать про те, що вміст глюкози у здорових людей поступово знижується до нормального рівня - близько 1 г / л.

При наявності патології відбувається повільне зростання концентрації глюкози в крові і ще більш повільне її зниження.

Залежність вмісту глюкози в крові від часу у хворих на діабет (У) і здорових (2) людей

Мал. 9.8. Залежність вмісту глюкози в крові від часу у хворих на діабет (У) і здорових (2) людей

Крива, відповідна патології (див. Рис. 9.8), наочно демонструє порушення гуморальної авторегуляции тканинного гліколізу, т. Е. Підшлункова залоза не виробляє достатньої кількості інсуліну. В результаті відбувається зростання концентрації глюкози в крові. У цьому стані підсистем організму необхідна допомога в здійсненні нормальних функцій. Такого роду зовнішнє регулювання функцій підсистем організму може бути здійснено шляхом введення лікарських засобів, зокрема інсуліну.

Наведені на рис. 9.8 залежно являють собою типовий приклад автоколебательного характеру зменшення вмісту глюкози в крові людини після перорального введення різних доз інсуліну.

Крім автоколебаний слід відзначити й інші особливості регулювання вміст глюкози. По-перше, максимальний вміст глюкози в крові зростає непропорційно дозі інсуліну: дози відрізняються в 4 рази, а максимальний вміст глюкози - лише в 1,5 рази. Ці максимальні значення в кілька разів нижче гранично можливих при дозах 25 і 100 г. Час досягнення максимального вмісту глюкози при меншій дозі інсуліну помітно менше, ніж при великій дозі. Крім того, спостерігається «проскакування» вихідного вмісту глюкози в крові до кінця періоду релаксації до стаціонарного значення.

Перераховані особливості адаптаційного авторегулирования в тій чи іншій мірі проявляються і для інших біогенних речовин, що вводяться в організм. З одного боку, ці особливості пов'язані з характером всмоктування або введення в кров, з іншого - з характером реакційної ланцюга перетворень. Практична відсутність лаг-періоду вказує на швидке включення компенсаційного механізму адаптації внутрішнього середовища.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >