Metabolizm węglowodanów

Węglowodany są głównym źródłem energii: 1 g węglowodanów, po całkowitym rozłożeniu, uwalnia 16,7 kJ (4 kcal). Ponadto węglowodany w postaci mukopolisacharydów są częścią tkanki łącznej, a w postaci związków złożonych (glikoprotein, lipopolisacharydów) są elementami strukturalnymi komórek, a także składnikami niektórych aktywnych substancji biologicznych (enzymów, hormonów, ciał odpornościowych itp.).

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ], [ 6 ]

Węglowodany w diecie

Udział węglowodanów w diecie dzieci w dużej mierze zależy od wieku. U dzieci w pierwszym roku życia zawartość węglowodanów, która zapewnia zapotrzebowanie na energię, wynosi 40%. Po roku wzrasta do 60%. W pierwszych miesiącach życia zapotrzebowanie na węglowodany pokrywa cukier mleczny - laktoza, która jest częścią mleka matki. Przy sztucznym karmieniu mieszankami mlecznymi dziecko otrzymuje również sacharozę lub maltozę. Po wprowadzeniu pokarmów uzupełniających do organizmu zaczynają przedostawać się polisacharydy (skrobia, częściowo glikogen), które głównie pokrywają zapotrzebowanie organizmu na węglowodany. Ten rodzaj żywienia dzieci sprzyja zarówno tworzeniu amylazy przez trzustkę, jak i jej wydzielaniu ze śliną. W pierwszych dniach i tygodniach życia amylaza jest praktycznie nieobecna, a wydzielanie śliny jest nieznaczne, a dopiero od 3-4 miesięcy rozpoczyna się wydzielanie amylazy i gwałtownie wzrasta wydzielanie śliny.

Wiadomo, że hydroliza skrobi zachodzi pod wpływem amylazy ślinowej i soku trzustkowego; skrobia rozkłada się na maltozę i izomaltozę.

Wraz z disacharydami pokarmowymi - laktozą i sacharozą - maltoza i izomaltoza na powierzchni kosmków jelitowych błony śluzowej jelita pod wpływem disacharydaz rozkładane są do monosacharydów: glukozy, fruktozy i galaktozy, które są wchłaniane przez błonę komórkową. Proces wchłaniania glukozy i galaktozy jest związany z transportem aktywnym, który polega na fosforylowaniu monosacharydów i ich przekształcaniu w fosforan glukozy, a następnie w fosforan glukozy-6 (odpowiednio fosforany galaktozy). Taka aktywacja zachodzi pod wpływem kinaz glukozowych lub galaktozowych z wydatkiem jednego wiązania makroergicznego ATP. W przeciwieństwie do glukozy i galaktozy, fruktoza jest wchłaniana niemal biernie, przez prostą dyfuzję.

Disacharydazy w jelicie płodu tworzą się w zależności od wieku ciążowego.

Czas rozwoju funkcji przewodu pokarmowego, czas wykrycia i ciężkość jako procent tej samej funkcji u osób dorosłych

Wchłanianie węglowodanów	Pierwsze wykrycie enzymu, tydzień	Stopień ciężkości, % dorosłych
A-amylaza trzustkowa	22	5
Α-Amylaza gruczołów ślinowych	16	10
Laktaza	10	Ponad 100
Sacharaza i izomaltaza	10	100
Glukoamylaza	10	50
Wchłanianie monosacharydów	11	92

Oczywiste jest, że aktywność maltazy i sacharazy wzrasta wcześniej (6-8 miesięcy ciąży), a później (8-10 miesięcy) - laktazy. Badano aktywność różnych disacharydaz w komórkach błony śluzowej jelit. Stwierdzono, że całkowita aktywność wszystkich maltaz do momentu urodzenia odpowiada średnio 246 μmol rozszczepionego disacharydu na 1 g białka na minutę, całkowita aktywność sacharazy - 75, całkowita aktywność izomaltazy - 45, a całkowita aktywność laktazy - 30. Dane te są bardzo interesujące dla pediatrów, ponieważ staje się jasne, dlaczego karmione piersią dziecko dobrze trawi mieszanki dekstryny i maltozy, podczas gdy laktoza łatwo powoduje biegunkę. Stosunkowo niska aktywność laktazy w błonie śluzowej jelita cienkiego wyjaśnia fakt, że niedobór laktazy obserwuje się częściej niż niedobór innych disacharydaz.

[ 7 ], [ 8 ]

Zaburzone wchłanianie węglowodanów

Istnieją zarówno przejściowe, jak i wrodzone zaburzenia wchłaniania laktozy. Pierwsza postać jest spowodowana opóźnieniem dojrzewania laktazy jelitowej i dlatego zanika z wiekiem. Postać wrodzoną można obserwować przez długi czas, ale z reguły jest najbardziej widoczna od urodzenia podczas karmienia piersią. Wyjaśnia się to tym, że zawartość laktozy w mleku ludzkim jest prawie 2 razy wyższa niż w mleku krowim. Klinicznie u dziecka rozwija się biegunka, która charakteryzuje się, oprócz luźnych stolców (ponad 5 razy dziennie), pienistymi stolcami o odczynie kwaśnym (pH poniżej 6). Mogą również wystąpić objawy odwodnienia, objawiające się jako poważny stan.

W starszym wieku następuje tzw. represja laktazy, kiedy jej aktywność ulega znacznemu zmniejszeniu. Wyjaśnia to fakt, że znaczna liczba osób nie toleruje naturalnego mleka, podczas gdy fermentowane produkty mleczne (kefir, acidophilus, jogurt) są dobrze przyswajalne. Niedobór laktazy dotyczy około 75% osób pochodzenia afrykańskiego i indyjskiego, do 90% osób pochodzenia azjatyckiego i 20% Europejczyków. Wrodzone złe wchłanianie sacharozy i izomaltozy występuje rzadziej. Najczęściej objawia się u dzieci karmionych sztucznie mieszankami mlecznymi wzbogaconymi o sacharozę oraz wprowadzanych do diety soków, owoców lub warzyw zawierających ten disacharyd. Objawy kliniczne niedoboru sacharozy są podobne do objawów złego wchłaniania laktozy. Niedobór disacharydazy może być również czysto nabyty, być konsekwencją lub powikłaniem szerokiej gamy chorób, na które cierpi dziecko. Główne przyczyny niedoboru disacharydazy wymieniono poniżej.

Skutki narażenia na czynniki szkodliwe:

• po zapaleniu jelit o etiologii wirusowej lub bakteryjnej;
• szczególne znaczenie zakażenia rotawirusem;
• niedożywienie;
• lamblioza;
• po martwiczym zapaleniu jelit;
• niedobór odpornościowy;
• choroba trzewna;
• terapia cytostatyczna;
• nietolerancja białka mleka krowiego;
• stany niedotlenienia okresu okołoporodowego;
• Żółtaczka i jej fototerapia.

Niedojrzałość rąbka szczoteczkowego:

• wcześniactwo;
• niedojrzałość przy urodzeniu.

Konsekwencje interwencji chirurgicznej:

• gastrostomia;
• ileostomia;
• kolostomia;
• resekcja jelita cienkiego;
• zespolenia jelita cienkiego.

Podobne objawy kliniczne opisano w przypadkach upośledzonej aktywacji monosacharydów - glukozy i galaktozy. Należy je odróżnić od przypadków, gdy dieta zawiera zbyt dużo tych monosacharydów, które, mając wysoką aktywność osmotyczną, powodują przedostawanie się wody do jelita. Ponieważ monosacharydy wchłaniają się z jelita cienkiego do puli V. portae, najpierw trafiają do komórek wątroby. W zależności od warunków, które są determinowane głównie przez zawartość glukozy we krwi, ulegają przekształceniu w glikogen lub pozostają jako monosacharydy i są transportowane z przepływem krwi.

We krwi osób dorosłych zawartość glikogenu jest nieco niższa (0,075-0,117 g/l) niż u dzieci (0,117-0,206 g/l).

Synteza zapasowego węglowodanu organizmu - glikogenu - jest przeprowadzana przez grupę różnych enzymów, co powoduje powstawanie silnie rozgałęzionych cząsteczek składających się z reszt glukozy, które są połączone wiązaniami 1,4- lub 1,6- (łańcuchy boczne glikogenu są utworzone przez wiązania 1,6-). W razie potrzeby glikogen może zostać ponownie rozłożony na glukozę.

Synteza glikogenu rozpoczyna się w 9. tygodniu rozwoju wewnątrzmacicznego w wątrobie. Jednak jego szybka akumulacja następuje dopiero przed urodzeniem (20 mg/g wątroby na dobę). Dlatego stężenie glikogenu w tkance wątroby płodu przy urodzeniu jest nieco wyższe niż u osoby dorosłej. Około 90% zgromadzonego glikogenu jest wykorzystywane w ciągu pierwszych 2-3 godzin po urodzeniu, a pozostały glikogen jest zużywany w ciągu 48 godzin.

To w istocie zapewnia zapotrzebowanie energetyczne noworodków w pierwszych dniach życia, kiedy dziecko otrzymuje mało mleka. Od 2. tygodnia życia rozpoczyna się ponowna akumulacja glikogenu, a do 3. tygodnia życia jego stężenie w tkance wątroby osiąga poziom osoby dorosłej. Jednak masa wątroby u dzieci jest znacznie mniejsza niż u dorosłych (u dzieci w wieku 1 roku masa wątroby wynosi 10% masy wątroby osoby dorosłej), więc rezerwy glikogenu u dzieci zużywają się szybciej i muszą one je uzupełniać, aby zapobiec hipoglikemii.

Stosunek intensywności procesów glikogenezy i glikogenolizy w dużej mierze determinuje zawartość cukru we krwi - glikemię. Wartość ta jest dość stała. Glikemia jest regulowana przez złożony układ. Centralnym ogniwem w tej regulacji jest tzw. ośrodek cukrowy, który należy rozpatrywać jako funkcjonalne powiązanie ośrodków nerwowych zlokalizowanych w różnych częściach ośrodkowego układu nerwowego - korze mózgowej, podkorze (jądro soczewkowate, prążkowie), okolicy podwzgórza, rdzeniu przedłużonym. Wraz z tym w regulacji metabolizmu węglowodanów uczestniczy wiele gruczołów dokrewnych (trzustka, nadnercza, tarczyca).

Zaburzenia metabolizmu węglowodanów: choroby spichrzeniowe

Można jednak zaobserwować wrodzone zaburzenia układów enzymatycznych, w których synteza lub rozkład glikogenu w wątrobie lub mięśniach może zostać zaburzony. Do zaburzeń tych zalicza się chorobę niedoboru glikogenu. Opiera się ona na niedoborze enzymu syntazy glikogenu. Rzadkość występowania tej choroby prawdopodobnie wynika z trudności w diagnozie i szybkiego niekorzystnego wyniku. Noworodki doświadczają hipoglikemii bardzo wcześnie (nawet między karmieniami) z drgawkami i ketozą. Częściej opisuje się przypadki choroby glikogenu, gdy w organizmie gromadzi się glikogen o prawidłowej strukturze lub tworzy się glikogen o nieregularnej strukturze przypominającej celulozę (amylopektynę). Ta grupa z reguły jest uwarunkowana genetycznie. W zależności od niedoboru niektórych enzymów biorących udział w metabolizmie glikogenu rozróżnia się różne formy lub typy glikogenoz.

Typ I, który obejmuje glikogenozę wątrobowo-nerkową, czyli chorobę Gierkego, opiera się na niedoborze glukozo-6-fosfatazy. Jest to najcięższa postać glikogenozy bez strukturalnych zaburzeń glikogenu. Choroba jest recesywna; klinicznie objawia się bezpośrednio po urodzeniu lub w okresie niemowlęcym. Charakterystyczna jest hepatomegalia, której towarzyszą drgawki hipoglikemiczne i śpiączka, ketoza. Śledziona nigdy nie zwiększa swoich rozmiarów. Później obserwuje się zahamowanie wzrostu i dysproporcję ciała (brzuch jest powiększony, ciało wydłużone, nogi są krótkie, głowa duża). Pomiędzy karmieniami obserwuje się bladość, pocenie się i utratę przytomności w wyniku hipoglikemii.

Glikogenoza typu II - choroba Pompego, która opiera się na niedoborze kwaśnej maltazy. Ujawnia się klinicznie wkrótce po urodzeniu, a takie dzieci szybko umierają. Obserwuje się hepato- i kardiomegalię, hipotonię mięśniową (dziecko nie może trzymać głowy ani ssać). Rozwija się niewydolność serca.

Glikogenoza typu III - choroba Cori, spowodowana wrodzonym defektem amylo-1,6-glukozydazy. Dziedziczenie jest recesywne-autosomalne. Objawy kliniczne są podobne do choroby Gierkego typu I, ale mniej poważne. W przeciwieństwie do choroby Gierkego, jest to ograniczona glikogenoza, której nie towarzyszy ketoza i ciężka hipoglikemia. Glikogen jest odkładany albo w wątrobie (hepatomegalia), albo w wątrobie i jednocześnie w mięśniach.

Typ IV - choroba Andersena - jest spowodowana niedoborem 1,4-1,6-transglukozydazy, co powoduje powstawanie glikogenu o nieregularnej strukturze przypominającej celulozę (amylopektynę). Jest to jak ciało obce. Obserwuje się żółtaczkę i hepatomegalię. Rozwija się marskość wątroby z nadciśnieniem wrotnym. W efekcie rozwijają się żylaki żołądka i przełyku, których pęknięcie powoduje obfite krwawienie z żołądka.

Typ V - glikogenoza mięśniowa, choroba McArdle'a - rozwija się z powodu niedoboru fosforylazy mięśniowej. Choroba może ujawnić się w 3 miesiącu życia, kiedy to zauważy się, że dzieci nie są w stanie ssać przez dłuższy czas i szybko się męczą. Ze względu na stopniowe gromadzenie się glikogenu w mięśniach poprzecznie prążkowanych obserwuje się ich pozorny przerost.

Glikogenoza typu VI - choroba Hertza - jest spowodowana niedoborem fosforylazy wątrobowej. Klinicznie stwierdza się hepatomegalię, rzadziej występuje hipoglikemia. Obserwuje się zahamowanie wzrostu. Przebieg jest korzystniejszy niż w innych postaciach. Jest to najczęstsza postać glikogenozy.

Obserwuje się również inne postaci chorób spichrzeniowych, w przypadku wykrycia zaburzeń mono- lub polienzymatycznych.

[ 9 ], [ 10 ], [ 11 ], [ 12 ], [ 13 ], [ 14 ], [ 15 ], [ 16 ], [ 17 ], [ 18 ]

Poziom cukru we krwi jako wskaźnik metabolizmu węglowodanów

Jednym ze wskaźników metabolizmu węglowodanów jest poziom cukru we krwi. W momencie narodzin poziom glikemii u dziecka odpowiada poziomowi glikemii u matki, co tłumaczy się swobodną dyfuzją przezłożyskową. Jednak od pierwszych godzin życia obserwuje się spadek zawartości cukru, co tłumaczy się dwoma przyczynami. Jedną z nich, bardziej znaczącą, jest brak hormonów przeciwwyspowych. Świadczy o tym fakt, że adrenalina i glukagon są w stanie zwiększyć poziom cukru we krwi w tym okresie. Inną przyczyną hipoglikemii u noworodków jest to, że rezerwy glikogenu w organizmie są bardzo ograniczone, a noworodek przystawiony do piersi kilka godzin po urodzeniu zużywa je. Do 5-6 dnia życia zawartość cukru wzrasta, ale u dzieci pozostaje ona stosunkowo niższa niż u dorosłych. Wzrost stężenia cukru u dzieci po pierwszym roku życia ma charakter falowy (pierwsza fala - do 6 roku życia, druga - do 12 roku życia), co pokrywa się ze wzrostem ich wzrostu i wyższym stężeniem hormonu somatotropowego. Fizjologiczna granica utleniania glukozy w organizmie wynosi 4 mg/(kg • min). Dlatego dobowa dawka glukozy powinna wynosić od 2 do 4 g/kg masy ciała.

Należy podkreślić, że wykorzystanie glukozy podczas jej dożylnego podania następuje u dzieci szybciej niż u dorosłych (wiadomo, że dożylnie podana glukoza jest wykorzystywana przez organizm z reguły w ciągu 20 minut). Dlatego tolerancja dzieci na obciążenie węglowodanami jest wyższa, co należy uwzględnić przy badaniu krzywych glikemicznych. Przykładowo do badania krzywej glikemicznej stosuje się średnie obciążenie 1,75 g/kg.

Jednocześnie dzieci mają cięższy przebieg cukrzycy, w leczeniu której z reguły konieczne jest stosowanie insuliny. Cukrzyca u dzieci jest najczęściej wykrywana w okresach szczególnie intensywnego wzrostu (pierwsze i drugie wydłużenie fizjologiczne), kiedy częściej obserwuje się zaburzenie korelacji gruczołów dokrewnych (zwiększa się aktywność hormonu somatotropowego przysadki mózgowej). Klinicznie cukrzyca u dzieci objawia się pragnieniem (polidypsją), poliurią, utratą masy ciała i często wzrostem apetytu (polifagią). Wykrywa się wzrost poziomu cukru we krwi (hiperglikemię) i pojawienie się cukru w moczu (glukozuria). Częsta jest kwasica ketonowa.

Choroba ta opiera się na niedoborze insuliny, co utrudnia przenikanie glukozy przez błony komórkowe. Powoduje to wzrost jej zawartości w płynie pozakomórkowym i krwi, a także zwiększa rozpad glikogenu.

W organizmie glukoza może być rozkładana na kilka sposobów. Najważniejsze z nich to łańcuch glikolityczny i cykl pentozowy. Rozpad wzdłuż łańcucha glikolitycznego może zachodzić zarówno w warunkach tlenowych, jak i beztlenowych. W warunkach tlenowych prowadzi do powstania kwasu pirogronowego, a w warunkach beztlenowych kwasu mlekowego.

W wątrobie i mięśniu sercowym procesy przebiegają tlenowo, w erytrocytach - beztlenowo, w mięśniach szkieletowych podczas intensywnej pracy - przeważnie beztlenowo, w spoczynku - przeważnie tlenowo. Droga tlenowa jest bardziej oszczędna dla organizmu, ponieważ powoduje powstawanie większej ilości ATP, który niesie ze sobą duży zapas energii. Glikoliza beztlenowa jest mniej oszczędna. Generalnie, poprzez glikolizę komórki mogą być szybko, choć nieekonomicznie, zaopatrywane w energię niezależnie od „dostarczania” tlenu. Rozpad tlenowy w połączeniu łańcucha glikolitycznego - cykl Krebsa jest głównym źródłem energii dla organizmu.

Jednocześnie, poprzez odwrotny przepływ łańcucha glikolitycznego, organizm może syntetyzować węglowodany z produktów pośrednich metabolizmu węglowodanów, takich jak kwas pirogronowy i mlekowy. Przekształcenie aminokwasów w kwas pirogronowy, α-ketoglutaran i szczawiooctan może prowadzić do tworzenia węglowodanów. Procesy łańcucha glikolitycznego są zlokalizowane w cytoplazmie komórek.

Badanie stosunku metabolitów łańcucha glikolitycznego i cyklu Krebsa we krwi dzieci wykazuje dość istotne różnice w porównaniu do dorosłych. Surowica krwi noworodka i dziecka w pierwszym roku życia zawiera dość znaczną ilość kwasu mlekowego, co wskazuje na przewagę glikolizy beztlenowej. Organizm dziecka próbuje zrekompensować nadmiar nagromadzonego kwasu mlekowego poprzez zwiększenie aktywności enzymu dehydrogenazy mleczanowej, która przekształca kwas mlekowy w kwas pirogronowy z jego późniejszym włączeniem do cyklu Krebsa.

Istnieją również pewne różnice w zawartości izoenzymów dehydrogenazy mleczanowej. U małych dzieci aktywność frakcji 4. i 5. jest wyższa, a zawartość frakcji 1. jest niższa.

Innym, nie mniej ważnym sposobem rozszczepiania glukozy jest cykl pentozowy, który rozpoczyna się łańcuchem glikolizy na poziomie glukozo-6-fosforanu. W wyniku jednego cyklu jedna z 6 cząsteczek glukozy ulega całkowitemu rozszczepieniu na dwutlenek węgla i wodę. Jest to krótsza i szybsza droga rozpadu, która zapewnia uwolnienie dużej ilości energii. W wyniku cyklu pentozowego powstają również pentozy, które są wykorzystywane przez organizm do biosyntezy kwasów nukleinowych. To prawdopodobnie wyjaśnia, dlaczego cykl pentozowy ma tak duże znaczenie u dzieci. Jego kluczowym enzymem jest dehydrogenaza glukozo-6-fosforanowa, która zapewnia połączenie między glikolizą a cyklem pentozowym. Aktywność tego enzymu we krwi dzieci w wieku 1 miesiąc - 3 lata wynosi 67-83, 4-6 lat - 50-60, 7-14 lat - 50-63 mmol/g hemoglobiny.

Zaburzenie cyklu pentozowego rozkładu glukozy z powodu niedoboru dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej leży u podstaw niedokrwistości hemolitycznej niesferocytarnej (jednego z rodzajów erytrocytów), która objawia się niedokrwistością, żółtaczką, splenomegalią. Z reguły kryzysy hemolityczne są wywoływane przez przyjmowanie leków (chininy, chinidyny, sulfonamidów, niektórych antybiotyków itp.), które zwiększają blokadę tego enzymu.

Podobny obraz kliniczny niedokrwistości hemolitycznej obserwuje się z powodu niedoboru kinazy pirogronianowej, która katalizuje przekształcanie fosfoenolopirogronianu w pirogronian. Rozróżnia się je metodą laboratoryjną, określając aktywność tych enzymów w erytrocytach.

Zaburzenie glikolizy w płytkach krwi leży u podstaw patogenezy wielu tromboastenii, klinicznie objawiających się zwiększonym krwawieniem przy prawidłowej liczbie płytek krwi, ale zaburzonej funkcji (agregacji) i nienaruszonych czynnikach krzepnięcia krwi. Wiadomo, że główny metabolizm energetyczny człowieka opiera się na wykorzystaniu glukozy. Pozostałe heksozy (galaktoza, fruktoza) z reguły przekształcają się w glukozę i ulegają całkowitemu rozpadowi. Przekształcenie tych heksoz w glukozę odbywa się za pomocą układów enzymatycznych. Niedobór enzymów, które przekształcają tę konwersję, leży u podstaw gstaktozemii i fruktozemii. Są to genetycznie uwarunkowane enzymopatie. W gstaktozemii występuje niedobór galaktozo-1-fosforanu urydylotransferazy. W rezultacie w organizmie gromadzi się galaktozo-1-fosforan. Ponadto duża ilość fosforanów jest usuwana z krążenia, co powoduje brak ATP, powodując uszkodzenie procesów energetycznych w komórkach.

Pierwsze objawy galaktozemii pojawiają się wkrótce po rozpoczęciu karmienia dzieci mlekiem, zwłaszcza mlekiem matki, które zawiera dużą ilość laktozy, w której skład wchodzą równe ilości glukozy i galaktozy. Pojawiają się wymioty, masa ciała wzrasta słabo (rozwija się hipotrofia). Następnie pojawia się hepatosplenomegalia z żółtaczką i zaćmą. Może rozwinąć się wodobrzusze i żylaki przełyku i żołądka. Badanie moczu ujawnia galaktozurię.

W przypadku galaktozemii laktozę należy wykluczyć z diety. Stosuje się specjalnie przygotowane mieszanki mleczne, w których zawartość laktozy jest znacznie obniżona. Zapewnia to prawidłowy rozwój dzieci.

Fruktozemia rozwija się, gdy fruktoza nie jest przekształcana w glukozę z powodu niedoboru aldolazy fruktozo-1-fosforanowej. Jej objawy kliniczne są podobne do objawów galaktozemii, ale wyrażone w łagodniejszym stopniu. Jej najbardziej charakterystycznymi objawami są wymioty, gwałtowny spadek apetytu (aż do anoreksji), gdy dzieciom podaje się soki owocowe, słodzone płatki zbożowe i przeciery (sacharoza zawiera fruktozę i glukozę). Dlatego objawy kliniczne są szczególnie nasilone, gdy dzieci przechodzą na karmienie mieszane i sztuczne. W starszym wieku pacjenci nie tolerują słodyczy i miodu, które zawierają czystą fruktozę. Fruktozurię wykrywa się podczas badania moczu. Konieczne jest wykluczenie z diety sacharozy i produktów zawierających fruktozę.