هضم الكربوهيدرات في الجهاز الهضمي
الكربوهيدرات الغذائية الرئيسية هي النشا، السكروز، واللاكتوز. النشا عبارة عن بوليمر من الجلوكوز ترتبط وحداته بروابط جلوكوزيدية من نوع α-1,4 وα-1,6. يبدأ الهضم في تجويف الفم تحت تأثير أميلاز اللعاب من نوع ألفا الذي يحلل النشا إلى دكسترينات. أما في المعدة، فلا يحدث هضم تقريباً للكربوهيدرات بسبب غياب الإنزيمات المناسبة والوسط الحمضي.
في الإثني عشر، يعمل أميلاز البنكرياس من نوع ألفا الذي يحلل النشا إلى سكريات ثنائية وهي المالتوز (α-1,4) والإيزومالتوز (α-1,6). يتم الهضم النهائي للسكريات الثنائية بواسطة إنزيمات الغشاء المخاطي للأمعاء الدقيقة:
- معقد السكرايز-إيزومالتيز - يحلل السكروز، المالتوز، والإيزومالتوز؛
- معقد بيتا-جليكوسيداز - يفكك مجموعة من مركبات بيتا-جليكوسيد؛
- اللاكتيز - يحلل اللاكتوز إلى جالاكتوز وجلوكوز.
تكون نشاطية اللاكتيز في ذروتها لدى الأطفال وتقل مع تقدم العمر، وهو ما يشكل الأساس لحدوث نقص إنزيم اللاكتيز.
امتصاص السكريات الأحادية ونقلها إلى الأنسجة
تنتقل السكريات الأحادية إلى الخلايا المعوية بطريقتين. تتميز الانتشار الميسر للفركتوز (عبر GLUT5)، وجزئياً أيضاً للجلوكوز والغالكتوز. أما النقل النشط الثانوي، بمشاركة الناقل SGLT1 المُعتمد على أيونات Na⁺، فينقِل الجلوكوز والغالكتوز عكس تدريج التركيز؛ وتُؤمَّن الطاقة عبر عمل Na⁺/K⁺-ATPase.
تخرج السكريات الأحادية من الخلايا المعوية إلى الدم عن طريق الانتشار الميسر. وفي الأنسجة، يتم امتصاص الجلوكوز بواسطة بروتينات عائلة GLUT. وتكتسب عائلة GLUT4 أهمية خاصة كونها الناقل المعتمد على الأنسولين في الأنسجة العضلية والدهنية.
فسفرة الجلوكوز ومصير جلوكوز-6-فوسفات
داخل الخلية، يُفسفر الجلوكوز فوراً. ويحفز هذا التفاعل كل من:
- الهكسوكيناز - ذو قيمة ثابتة منخفضة لـ Km (~0.1 مليمول/لتر)، ويُثبَّط بالناتج النهائي وهو جلوكوز-6-فوسفات؛
- الجلوكوكايناز - ذو قيمة ثابتة مرتفعة لـ Km (~10 مليمول/لتر)، يعمل في الكبد، ويتحفز بالأنسولين.
يُستخدَم جلوكوز-6-فوسفات لتصليح (تخليق) الجليكوجين، وفي مسار فوسفات البنتوز، وبتخليق سكريات أحادية أخرى وأحماض أمينية، كما يخضع للتقويض ليعطي ثاني أكسيد الكربون والماء أو اللاكتوز مع إنتاج أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP).
تخليق الجليكوجين
يحدث تخليق الجليكوجين في فترة الامتصاص (1-2 ساعة بعد تناول الطعام). والمراحل هي:
- جلوكوز ← جلوكوز-6-فوسفات (هكسوكيناز/جلوكوكيناز).
- جلوكوز-6-فوسفات ← جلوكوز-1-فوسفات تحت تأثير إنزيم فوسفوجلوكُموتاز.
- تنشيط الجلوكوز: جلوكوز-1-فوسفات + يوريدين ثلاثي الفوسفات (UTP) ← يوريدين ديفوسفات الجلوكوز (UDP-glucose) + بيروفوسفات (بواسطة إنزيم يوريدين ديفوسفات جلوكوز بيروفوسفوريلاز).
- ينقل إنزيم تخليق الجليكوجين (الجليكوجين سينثيز) بقية الجلوكوز من يوريدين ديفوسفات الجلوكوز إلى البرايمر (4 بقايا على الأقل)، مكوناً رابطة جليكوسيدية من نوع α-1,4.
- بعد إطالة السلسلة لتصل إلى 11-12 وحدة، يقوم إنزيم التفريع (أميلاز-1,4→1,6-جليكوزيل ترانسفيراز) بنقل جزء مكون من 5-6 وحدات لتشكل رابطة α-1,6، وهي نقطة التفريع.
تحلل الجليكوجين
يتم تنشيط تحلل الجليكوجين في فترة ما بعد الامتصاص وأثناء المجهود البدني. الإنزيم الأساسي هو جليكوجين فوسفوريلاز، والذي يكسر روابط α-1,4 فسفورياً لإنتاج جلوكوز-1-فوسفات. يتوقف الإنزيم على بعد 4 وحدات من نقطة التفرع. بعد ذلك يعمل الإنزيم المزيل للتفرع:
- أوليغوسكاريد ترانسفيراز ينقل جزء ثلاثي الجلوكوز إلى السلسلة المجاورة؛
- ألفا-1,6-جليكوسيداز يحلل رابطة α-1,6 ليحرر الجلوكوز الحر.
يتحول جلوكوز-1-فوسفات إلى جلوكوز-6-فوسفات. وفي العضلات، يندمج في عملية تحلل السكر. أما في الكبد فيتوجد إنزيم جلوكوز-6-فوسفاتيز الذي يزيل مجموعة الفوسفات من جلوكوز-6-فوسفات ليحوله إلى جلوكوز حر يخرج إلى الدم ويحافظ على مستوى سكر الدم (سكر الدم الطبيعي).
تنظيم استقلاب الجليكوجين
يستحيل حدوث التخليق والتحلل في آن واحد بفضل التنظيم المتبادل لكل من جليكوجين سينثيز وجليكوجين فوسفوريلاز. الأشكال النشطة هي:
- جليكوجين سينثيز - منزوع الفوسفات؛
- جليكوجين فوسفوريلاز - مفسفر.
تتحدد النسب عبر مؤشر الأنسولين-الجلوكاجون.
ينشط الأنسولين (عند ارتفاع مؤشر الأنسولين-الجلوكاجون) بروتين فوسفاتاز حبيبات الجليكوجين، مما يؤدي إلى نزع الفوسفات عن كلا الإنزيمين: فينشط جليكوجين سينثيز ويُثبط جليكوجين فوسفوريلاز. بالإضافة إلى ذلك، ينشط الأنسولين ناقل GLUT4، ويحفز إنزيم الجلوكوكايناز، وينشط فوسفوديستيراز الذي يخفض مستوى أحادي أدينوسين الحلقي (cAMP).
يقوم الجلوكاجون (في الكبد) والأدرينالين (عبر مستقبلات بيتا-2) بتفعيل نظام محلقة الأدينيلات: بروتين G ← محلقة الأدينيلات ← أحادي أدينوسين الحلقي (cAMP) ← بروتين كايناز A. يقوم بروتين كايناز A بفسفرة جليكوجين سينثيز (إبطال نشاطه) وكايناز الفوسفوريلاز، والذي بدوره ينشط جليكوجين فوسفوريلاز.
ينشط الأدرينالين عبر مستقبلات ألفا-1 الأدرينالية نظام إينوزيتول فوسفات: فوسفوليبيز C ← إينوزيتول ثلاثي الفوسفات (IP3) ← خروج أيونات الكالسيوم Ca²⁺ ← معقد كالسيوم-كالمودولين-كايناز الفوسفوريلاز ينشط جليكوجين فوسفوريلاز. كما يقوم بروتين كايناز C بفسفرة وإبطال مفعول جليكوجين سينثيز إضافياً.
في العضلات وأثناء المجهود المعتدل، ينشط إنزيم جليكوجين فوسفوريلاز تفاعلياً بواسطة أدينوسين أحادي الفوسفات (AMP). وأثناء المجهود الشديد، يتم تفعيل النبض العصبي (مسار الكالسيوم-كالمودولين) والأدرينالين (المسار المعتمد على أحادي أدينوسين الحلقي cAMP).
أمراض تخزين الجليكوجين (الجليكوجينوز)
أمراض تخزين الجليكوجين هي أمراض وراثية ناجمة عن عيوب في إنزيمات تخليق أو تحلل الجليكوجين. وتترافق بتراكم كميات غير طبيعية أو جليكوجين متغير بنيوياً في الكبد، العضلات، والكلى. وتظهر سريرياً على شكل نقص سكر الدم أثناء الصيام، تضخم الكبد، ضعف العضلات، وعدم تحمل المجهود البدني. تعد عيوب جلوكوز-6-فوسفاتيز (مرض فون جيركه)، والإنزيم المزيل للتفرع، وفوسفوريلاز العضلات (مرض ماك أردل)، وإنزيم التفريع هي الأشكال الأكثر دراسة.
النقاط الرئيسية
- يتحلل النشا بواسطة أميلاز اللعاب وأميلاز البنكرياس؛ ويحدث الهضم النهائي للسكريات الثنائية على الغشاء (بواسطة السكرايز-إيزومالتيز واللاكتيز).
- يُنقل الجلوكوز إلى الخلايا المعوية عبر الناقل SGLT1 (بطريقة النقل النشط الثانوي مع أيونات الصوديوم) ويدخل إلى الأنسجة عبر بروتينات GLUT؛ ويعتبر GLUT4 ناقلاً معتمداً على الأنسولين.
- داخل الخلية، يُفسفر الجلوكوز بواسطة الهكسوكيناز أو الجلوكوكايناز؛ ويعتبر جلوكوز-6-فوسفات الأيض الوسطي الأساسي.
- يتطلب تخليق الجليكوجين تنشيط الجلوكوز إلى يوريدين ديفوسفات الجلوكوز (UDP-glucose)؛ والإنزيمات الأساسية هي جليكوجين سينثيز وإنزيم التفريع.
- يحدث التحلل فسفورياً: جليكوجين فوسفوريلاز + إنزيم إزالة التفرع (ترانسفيراز + ألفا-1,6-جليكوسيداز).
- الكبد وحده القادر على إطلاق الجلوكوز الحر في الدم بفضل وجود إنزيم جلوكوز-6-فوسفاتيز.
- يحفز الأنسولين عملية التخليق (عبر نزع الفوسفات عن الإنزيمات)، بينما يحفز الجلوكاجون والأدرينالين عملية تحلل الجليكوجين عبر أحادي أدينوسين الحلقي (cAMP)/بروتين كايناز A والمسارات المعتمدة على الكالسيوم.
- تؤدي العيوب الوراثية في إنزيمات استقلاب الجليكوجين إلى الإصابة بأمراض تخزين الجليكوجين مصحوبة بنقص سكر الدم وإصابة الكبد والعضلات.