БИОХИМИЯ И МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ - В. ЭЛЛИОТ - 2002
ГЛАВА 5. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ О РАСПРЕДЕЛЕНИИ И УТИЛИЗАЦИИ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В РАЗЛИЧНЫХ ТКАНЯХ ОРГАНИЗМА
Эта глава посвящена собственно метаболизму. Прежде всего будет рассмотрен обмен молекулами между кровью и тканями, а также между различными тканями. Затем мы обсудим механизмы регуляции этих процессов, обеспечивающих физиологические потребности организма, имея в виду распределение источников энергии среди его потребителей.
Главная задача метаболизма - обеспечить организм за счет окисления пищевых веществ энергией, запасенной в виде АТР. Пищевые молекулы используются как сырье для создания компонентов клеток и других необходимых для организма соединений. Отходы, т. е. ненужные организму вещества, преобразуются в соединения, которые могут быть выведены с мочой. Некоторые специализированные клетки новорожденных используют окисление пищевых веществ для образования тепла. Выделение тепла - это побочное явление при метаболизме.
Запасание пищи в теле животного
Как известно, животные принимают пищу через определенные промежутки времени, а не постоянно. Многим из них свойственны циклически повторяющиеся периоды насыщения и голодания. У людей приемы пищи могут быть разделены малыми интервалами времени (в течение дня), большими перерывами (во время ночного сна) или значительными сроками (при голодании). Биохимические машины должны как-то приспосабливаться к этим ситуациям.
Сразу после еды кровь насыщается пищевыми продуктами, поступающими в нее из кишечника. Однако они не сохраняются там долго, а быстро переходят в ткани, так что их содержание в крови вскоре снижается до прежнего низкого уровня. Например, после приема жирной пищи развивается липемия (плазма крови становится похожей на молоко), но это состояние проходит уже через несколько часов. После еды концентрация глюкозы в крови возрастает в течение часа от 5 до 7,8 мМ, но уже через два часа (если человек не болен диабетом) она возвращается к норме. Хотя ткани быстро поглощают пищевые вещества из крови, используют они их не сразу. Большая часть поглощенных тканями веществ запасается впрок.
Как различные виды пищевых веществ хранятся в клетках?
Глюкоза запасается в виде гликогена
Для клеток непрактично накапливать и сохранять глюкозу в свободном виде, поскольку при этом внутриклеточное осмотическое давление достигло бы недопустимо высоких значений. Напомним, что осмотическое давление пропорционально молярной концентрации растворенного вещества. Но если множество отдельных растворенных молекул объединяются в один полимер, то накопление глюкозы не приведет к заметному росту осмотического давления. Образующиеся при этом полимеры не всегда остаются в растворе, они могут выпадать из него в виде гранул. У животных глюкоза полимеризуется в гликоген, или животный крахмал, который по своему строению сходен с амилопектином, но отличается большей разветвленностью цепей (см. с. 76). Синтез гликогена требует расхода энергии. При необходимости гликоген расщепляется в клетке с высвобождением глюкозы. Следует подчеркнуть, что запасы гликогена у животных крайне ограничены. Так, у человека гликоген хранится в печени, из которой глюкоза, образующаяся после расщепления гликогена, доставляется к другим органам и тканям. Весь запас гликогена исчерпывается после суточного голодания. Это обстоятельство имеет существенное значение для биохимии животных.
Что касается других пищевых моносахаридов - галактозы и фруктозы, то в организме они превращаются в глюкозу (либо гликоген) или в соединения, являющиеся метаболитами глюкозы.
Хранение жиров
Основная часть жиров (триглицеридов) хранится в жировой ткани или жировых клетках, рассредоточенных по разным участкам тела. Эти клетки под микроскопом часто выглядят как жировые капли, окаймленные тонким слоем цитоплазмы и мембраной (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Жировая клетка (схематично)
В отличие от гликогена, жиры могут накапливаться в организме в неограниченном количестве. В норме человек запасает в виде жиров в 50 раз больше энергии, чем в виде гликогена. Чем же объясняется такое соотношение, особенно если учесть важную метаболическую роль глюкозы? Жиры представляют собой гораздо более восстановленные соединения, чем глюкоза, а, следовательно, при окислении равных весовых количеств жиров и глюкозы в первом случае выделится гораздо больше энергии. Таким образом, жиры - наиболее компактная форма запасания энергии. Парадоксально, но мы выглядели бы куда более толстыми, если бы в нашем теле накапливался не жир, а гликоген.
Поскольку глюкоза запасается в небольшом количестве, а поступает ее в составе пищи довольно много, избыток перерабатывается в жир.
Глюкоза в организме легко перерабатывается в жиры, однако не существует метаболического пути превращения жирных кислот в глюкозу. Вклад глицерина в клеточную энергетику несоизмеримо меньше, чем от длинноцепочечных жирных кислот.
Запасаются ли аминокислоты в организме?
Семена растений содержат белки, единственная функция которых - служить источником аминокислот для развивающегося зародыша. У животных только белки яиц и молока можно рассматривать как форму резервирования аминокислот. Пищевые аминокислоты, поступающие в кровь животных, расходуются на синтез белков, нейромедиаторов и т. п., а неиспользованные аминокислоты подвергаются расщеплению. При этом азот, входящий в состав аминокислот, оказывается включенным в молекулу мочевины (нейтрального, водорастворимого и нетоксичного соединения) и выводится из организма животного с мочой. Лишенная азота молекула в зависимости от ее строения перерабатывается в жиры или в гликоген, либо окисляется в соответствии с энергетическими нуждами организма (рис. 5.3).
Рис. 5.3. Судьба аминокислот, поступающих в организм с пищей. Выбор одного из метаболических путей (а, б или в) зависит от строения аминокислоты, физиологического состояния организма и способа регуляции
В то же время все клеточные белки можно рассматривать как форму хранения аминокислот. Особенно это относится к сократительным белкам мышечных клеток, которые расщепляются в условиях, когда организму не хватает пищевых аминокислот.
Энергетический метаболизм в различных тканях
Все ткани организма различаются по своим биохимическим характеристикам. Мы остановимся на тех тканях, которые имеют первостепенное значение при
распределении и усвоении пищевых веществ. Речь пойдет о печени, скелетных мышцах, мозге, жировых клетках и эритроцитах. Органы, выполняющие регуляторную функцию, вроде поджелудочной железы и надпочечников, здесь рассматриваться не будут.
1. Печень играет центральную роль в обеспечении постоянства концентрации глюкозы в крови. Когда уровень глюкозы в крови высок (после приема пищи), ее избыток откладывается в печени в виде гликогена. Когда появляется потребность в ней, гликоген в печени распадается, и глюкоза поступает в кровь.
Когда голодание длится более суток, запасы гликогена в печени исчерпываются, и, если ничего не предпринять, содержание глюкозы в крови может упасть до столь низкого уровня, что возникнет опасность для жизни организма. В таком случае организм мобилизует запасы жиров, которые выбрасываются в кровь клетками жировой ткани. Однако с их помощью можно поддержать мышечные и другие ткани, но не мозг и эритроциты, которые нуждаются только в глюкозе и не способны усваивать жирные кислоты. Печень справляется с этой проблемой, превращая аминокислоты в глюкозу. Этот процесс называют глюконеогенезом. Главным источником аминокислот при этом служат расщепляемые мышечные белки. Разумеется, мышцы страдают, но все же это предпочтительней, чем смерть от нехватки глюкозы.
Не менее важную роль печень играет и в метаболизме жиров. Когда при длительном голодании в кровь выбрасываются жирные кислоты, они усваиваются всеми тканями (за исключением мозга и эритроцитов). Если же мобилизация жиров достигает значительного уровня, печень превращает жирные кислоты в соединения, называемые кетоновыми телами. Они поступают в кровь и также усваиваются тканями (исключая эритроциты). Кетоновые тела могут обеспечить до половины энергетических потребностей мозга, уменьшая тем самым его зависимость от глюкозы. Печень способна не только расщеплять, но и синтезировать жирные кислоты, которые затем в виде триглицеридов переносятся в другие ткани.
Таким образом, печень запасает глюкозу в виде гликогена и освобождает ее, если в этом есть потребность и не исчерпан запас гликогена. При голодании она превращает аминокислоты в глюкозу, а жиры — в кетоновые тела, снабжая ими другие ткани через кровоток (рис. 5.4). Печень способна не только синтезировать и экспортировать жирные кислоты, но и окислять их для энергетических нужд. И это только те функции печени, которые связаны непосредственно с энергоснабжением организма.
Рис. 5.4. Потоки биологического топлива в голодающем организме
2. Мозг не имеет собственных энергетических резервов и должен непрерывно снабжаться глюкозой. Транспорт глюкозы в нейроны носит пассивный характер, а потому при уменьшении ее концентрации в крови (гипогликемия) он прекращается, что приводит к судорогам и коме. Тем не менее, хотя глюкоза абсолютно необходима для работы мозга, до половины своих энергетических потребностей он может удовлетворить за счет кетоновых тел, экономя глюкозу для тех случаев, когда она незаменима.
3. Скелетные мышцы расходуют много энергии в ходе сокращения. Эта энергия черпается из различных источников. Мышцы поглощают глюкозу из крови и могут запасать ее в виде гликогена. Однако, в отличие от печени, глюкоза, высвобождающаяся из гликогена мышц не поступает в кровь. Помимо глюкозы, в мышцах окисляются жирные кислоты, кетоновые тела и аминокислоты. Более того, если уровень жирных кислот и кетоновых тел в крови достаточно велик, они становятся главными субстратами окисления. При голодании мышцы «жертвуют» своими белками ради того, чтобы снабдить печень аминокислотами для нужд глюконеогенеза.
4. Роль жировых клеток относительно проста. После еды они поглощают из крови жирные кислоты и глюкозу и преобразуют эти вещества в триглицериды.
Напротив, при уменьшении уровня глюкозы в крови, указывающем на голод, жировые клетки используют запас триглицеридов для того, чтобы выделять в кровь жирные кислоты с целью удовлетворения потребности в них других тканей. Жировые клетки и печень - основные производители триглицеридов. Жирные кислоты либо поступают с пищей, либо синтезируются в печени, а глицерин образуется из глюкозы.
5. Эритроциты способны усваивать только глюкозу, превращая ее в молочную кислоту. У них отсутствуют митохондрии, поэтому, в отличие от других клеток, они не могут окислять пищевые вещества. Таким образом, глюкоза обеспечивает все их энергетические потребности, включая работу Na+/К+-АТРазы.
Роль гормонов в координации распределения пищевых веществ
После рассмотрения роли отдельных органов и тканей в усвоении пищевых веществ целесообразно обсудить, как осуществляется координация их деятельности, позволяющая организму справиться с различными физиологическими ситуациями. Вот наиболее типичные из них.
1. Избыток пищи после плотного обеда.
2. Легкий голод после некоторого перерыва между приемами пищи, например, утром перед завтраком.
3. Голод - состояние, наступающее после отсутствия пищи в течение одного-двух дней.
4. Аномальные условия (например, при диабете глюкоза не усваивается из крови.)
5. Экстремальная ситуация (под воздействием стресса в кровь выбрасывается огромное количество адреналина).
После всасывания пищевых веществ
Все компоненты пищи в значительных концентрациях присутствуют в крови. Глюкоза поглощается печенью, мышцами и жировыми клетками и используется для пополнения запасов гликогена. Наряду с этим часть глюкозы в печени, жировых клетках и других тканях превращается в нейтральные жиры.
Сама печень не накапливает синтезированные жиры в значительных количествах, а отдает их другим тканям (ожирение печени - патология).
Аминокислоты поглощаются всеми тканями и используются для синтеза белков и других компонентов клеток. Жиры поступают из хиломикронов и поглощаются
разными тканями, в том числе жировыми клетками, где они откладываются для хранения, и клетками молочных желез, которые используют их при образовании молока. В период накопления гликогена и жиров расщепления этих веществ в клетках не происходит.
Главным сигналом, побуждающим все ткани организма перейти в режим накопления, служит гормон поджелудочной железы инсулин, выброс которого в кровь «извещает» все клетки о повышении в ней концентрации глюкозы: ситуация благоприятна для синтеза гликогена и жиров. В то же время высокое содержание глюкозы в крови приводит к снижению уровня другого панкреатического гормона - глюкагона, чье действие противоположно инсулину. Глюкагон извещает клетки о недостатке пищевых веществ и побуждает их мобилизовать накопленные запасы: гликоген и нейтральные жиры. Заметим, что мозг не чувствителен к инсулину; он нуждается в непрерывном поступлении глюкозы.
Легкий голод
Стимулированное инсулином запасание приводит к постепенному снижению содержания в крови глюкозы, аминокислот и жиров в виде хиломикронов. Параллельно с уменьшением концентрации глюкозы уменьшается и секреция инсулина. Этот белковый гормон в крови быстро расщепляется протеиназами, и потому торможение секреции приводит к практически полному его исчезновению в крови. С другой стороны, уменьшение концентрации глюкозы побуждает поджелудочную железу секретировать глюкагон. Этот гормон служит сигналом для печени и жировых клеток к мобилизации запасов гликогена и жиров, чтобы обеспечить поступление в кровь глюкозы и жирных кислот. Последние используются в качестве топлива мышцами, печенью и другими тканями, что позволяет сберечь глюкозу для нужд мозга. Одновременно низкий уровень инсулина в сочетании с высоким уровнем глюкагона подавляет синтез гликогена и жиров из глюкозы.
Продолжительное голодание
Уже после суточного голодания запасы гликогена в печени иссякают, и она далее не может поддерживать на должном уровне концентрацию глюкозы в крови (на большее время хватает гликогена в почках, но их вклад в этот процесс незначителен). Уровень инсулина низок, а глюкагона - высок. В этих условиях жировые клетки начинают выделять в кровь жирные кислоты, которые становятся главным источником энергии для тканей. Запаса жиров в этих клетках хватает не на одну
неделю. В мышцах происходит распад белков до аминокислот, из которых в печени под влиянием глюкагона синтезируется глюкоза. Чем дальше, тем интенсивней побуждает глюкагон жировые клетки увеличивать содержание жирных кислот в крови, и в печени включается механизм образования кетоновых тел. Под этим давно используемым и неправильным термином понимают два соединения - ацетоацетат (СН3СОСН2СОО-) и β-гидроксибутират (СН3СНОНСН2СОО-). Второе вещество - не кетон, и оба не являются «телами». Раньше полагали, что наличие кетоновых тел свидетельствует о развитии патологических состояний, однако в действительности их синтез происходит в процессе нормального метаболизма.
Диабет
В отсутствие инсулина мышцы не могут использовать глюкозу, как бы много ее ни было в крови. Именно так обстоит дело у диабетиков, чью жизнь спасает только то, что мозг и эритроциты усваивают глюкозу независимо от действия инсулина. Состояние организма при диабете напоминает длительное голодание, при котором отношение концентраций инсулин/глюкагон крайне мало, а жировые клетки продуцируют много жирных кислот, часть которых перерабатывается печенью в кетоновые тела. Содержание последних становится значительно выше нормы, что легко обнаружить по характерному сладковатому «органическому» запаху изо рта. Это запах ацетона, который появляется путем спонтанного декарбоксилирования ацетоацетата:
СН3СОСН2СОО- —> СН3СОСН3 + СO2.
Экстремальная ситуация
Когда человеку грозит опасность, его надпочечники, повинуясь нервному сигналу из мозга, выбрасывают в кровь адреналин. Жировая ткань иннервирована, и ее активность также стимулируется адреналином, высвобождаемым нервными окончаниями. Адреналин действует на организм подобно нажатию кнопки «Тревога!». Он побуждает печень и жировые клетки выделять в кровь глюкозу и жирные кислоты в таких количествах, чтобы мышцы не испытывали недостатка в «топливе». Кроме того, он вызывает распад гликогена в самих мышцах, чтобы их клетки могли производить АТР с максимальной скоростью. В совокупности все эти меры приводят мышцы в рабочее состояние, позволяющее их хозяину избежать опасности.
Вопросы к главе 5
1. Почему клетки запасают глюкозу в виде гликогена?
2. Почему триглицеридов запасается гораздо больше, чем гликогена?
3. Может ли глюкоза перерабатываться в организме в жиры и наоборот? Существуют ли какие-либо специальные формы запасания аминокислот?
4. Опишите роль печени в преобразовании и распределении питательных веществ.
5. Использует ли мозг в качестве источника энергии жирные кислоты?
6. Перечислите основные метаболические свойства жировых клеток.
7. Что служит источником энергии в эритроцитах?
8. Какие гормоны несут главную ответственность за утилизацию пищевых веществ?