БИОЛОГИЯ Том 2 - руководство по общей биологии - 2004

19. ГОМЕОСТАЗ

19.6. Печень

19.6.2. Функции печени

По существующим оценкам, печень выполняет несколько сотен функций, включающих тысячи различных химических реакций. Через нее постоянно протекает огромное количество крови (примерно 20% ее общего объема). Печень и почки — главные органы, поддерживающие постоянство состава крови. Все питательные вещества, всосавшиеся в пищеварительном тракте, поступают прямо в печень, где они либо хранятся, либо превращаются в другие вещества, необходимые в данный момент организму.

Обмен углеводов

РОЛЬ ИНСУЛИНА. Сахара (главным образом глюкоза) поступают в печень из пищеварительного тракта по воротной вене — единственному кровеносному сосуду, в крови которого содержание сахара сильно колеблется. Это помогает понять роль печени в углеводном обмене как органа, поддерживающего концентрацию глюкозы в крови на уровне около 90 мг% (90 мг на 100 мл), независимо от того, как давно и в каком количестве мы ели. Особенно опасно для организма падение этого уровня (гипогликемия), поскольку некоторые ткани, например головной мозг, не способны запасать глюкозу, являющуюся важнейшим дыхательным субстратом. В печени все гексозы (шестиуглеродные сахара), включая фруктозу и галактозу, превращаются в глюкозу, которая в результате конденсации образует нерастворимую форму — полисахарид гликоген. Количество запасенного в печени гликогена может достигать до 100 г, однако в мышцах это количество может быть и большим. Процесс превращения глюкозы в гликоген называется гликогенезом и стимулируется инсулином. Этот гормон вырабатывается поджелудочной железой в ответ на высокий уровень сахара в крови (разд. 17.6):

РОЛЬ ГЛЮКАГОНА. Расщепляясь до глюкозы, гликоген препятствует падению уровня глюкозы в крови ниже 60 мг%. Процесс расщепления гликогена называется гликогенолизом и включает активацию фермента фосфорилазы гормоном глюкагоном. Глюкагон тоже вырабатывается поджелудочной железой и выделяется в ответ на недостаток сахара в крови (разд. 17.6.6). В момент опасности, при стрессе или в условиях холода фосфорилазу активируют также адреналин, выделяемый мозговым веществом надпочечников, и норадреналином, высвобождаемый также мозговым веществом надпочечников и окончаниями симпатических нейронов (разд. 17.6.5):

МОЛОЧНАЯ КИСЛОТА КАК ПРОДУКТ АНАЭРОБНОГО ДЫХАНИЯ. В мышцах гликоген не может превращаться непосредственно в глюкозу по описанной выше схеме, поскольку мышцы не высвобождают этот сахар в кровь для снабжения других органов, как это делает печень. Гликоген расщепляется в мышцах только тогда, когда глюкоза необходима для их собственных дыхательных потребностей. В этом случае гликоген превращается в глюкозофосфат, но затем из глюкозофосфата образуется пировиноградная кислота (гликолиз), которая используется для синтеза АТФ в процессе аэробного дыхания или анаэробного гликолиза. Молочная кислота, образующаяся в скелетных мышцах при гликолизе, может затем превратиться в глюкозу, а последняя уже в печени превращается в гликоген:

ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ. Когда в связи с расходованием глюкозы запасы гликогена в печени истощаются, глюкоза может синтезироваться из любого неуглеводного предшественника. Этот процесс называется глюконеогенезом. Происходит он при истощении запасов гликогена в печени. Низкий уровень глюкозы в крови (гипогликемия) стимулирует посредством симпатической нервной системы выброс адреналина, который, как уже отмечалось, способствует сиюминутному удовлетворению потребностей организма в глюкозе. Низкий уровень глюкозы в крови приводит также к стимуляции гипоталамуса, который выделяет кортиколиберин (разд. 17.6.5), вызывающий секрецию адренокортикотропного гормона (АКТГ) передней долей гипофиза. Под действием АКТГ усиливается синтез и высвобождение глюкокортикоидных гормонов (в основном кортизола, известного также как гидрокортизон). Эти гормоны стимулируют переход из тканей в кровь аминокислот, глицерола и жирных кислот, а также синтез в печени ферментов, катализирующих превращение аминокислоты и глицерола в глюкозу, т. е. осуществляют глюконеогенез. Жирные кислоты расщепляются с образованием ацетилкофермента А, а затем окисляются в цикле Кребса.

ОБРАЗОВАНИЕ ЖИРОВ. Углеводы, которые не могут быть использованы организмом или запасены в виде гликогена, превращаются в жиры, и в такой форме запасаются главным образом под кожей.

Общая схема углеводного обмена с участием печени, мышц и других тканей приведена на рис. 19.22.

Рис. 19.22. Общая схема углеводного обмена.

Обмен белков

Печень играет важную роль в метаболизме белков, который включает:

1) дезаминирование;

2) образование мочевины;

3) переаминирование;

4) синтез белков плазмы.

ДЕЗАМИНИРОВАНИЕ. Организм не способен создавать запасы аминокислот, даже если с пищей их поступает достаточно много, поэтому те из них, которые не могут быть сразу использованы в белковом синтезе и глюконеогенезе, дезаминируются в печени. Этот процесс описан в разд. 20.4.

ПЕРЕАМИНИРОВАНИЕ (ТРАНСАМИНИРОВАНИЕ). Это процесс синтеза аминокислот путем ферментативного переноса аминогруппы с аминокислоты на оксокислоту, в результате чего образуются новые аминокислота и оксокислота. В общем виде реакция выглядит следующим образом:

Например, глутаминовая кислота (аминокислота) может быть получена в результате такой реакции переаминирования:

Переаминирование — один из путей образования тех аминокислот, которых не хватает в пищевом рационе, т. е. это еще одна гомеостатическая функция печени. Однако «незаменимые» аминокислоты (разд. 8.7.8) не могут синтезироваться в печени путем переаминирования и должны поступать с пищей.

ОБРАЗОВАНИЕ БЕЛКОВ ПЛАЗМЫ. Белки являются жизненно необходимыми компонентами плазмы и большая часть этих белков синтезируется из аминокислот в печени.

1. Преобладающий белок плазмы — альбумин, нормальная концентрация которого в сыворотке составляет около 4 г на 100 мл (4 г%). Он играет важную роль в поддержании осмотического потенциала плазмы, уравновешивающего гидростатическое давление в сосудах. Благодаря взаимному противодействию этих двух факторов сохраняется баланс жидкости, находящейся в кровеносных сосудах и вне их (разд. 14.6). Кроме того, альбумин выполняет в кровеносной системе транспортную функцию — служит переносчиком, например кальция, компонентов желчи, различных солей и некоторых стероидных гормонов.

2. Глобулины — это белки с очень крупными молекулами, содержание которых в крови составляет около 3,4 г%. α- и β-Глобулины связывают и переносят гормоны (включая тироксин и инсулин), холестерол, липиды, железо, витамины В₁₂, A, D и К. Гамма-глобулины представляют собой антитела и образуются не печенью, а лимфоцитами и другими клетками иммунной системы. Они участвуют в иммунном ответе (разд. 14.9). К другим важным белкам плазмы относятся факторы свертывания крови, в том числе протромбин и фибриноген, функции которых описаны в разд. 14.8.5.

Обмен липидов

Печень в норме не накапливает липиды, а лишь участвует в их метаболизме и транспорте. В этом плане гепатоциты выполняют следующие функции:

1) превращают в жир избыток углеводов;

2) извлекают из крови и расщепляют холестерол или при необходимости синтезируют его;

3) при дефиците глюкозы гидролизуют жиры до глицерола и жирных кислот, используемых в процессе дыхания. Жирные кислоты расщепляются до ацетильных групп, которые связываются с коферментом А, образуя ацетил-КоА. В такой форме они включаются в цикл Кребса для дальнейшего окисления (разд. 9.3.5). Кроме того, жирные кислоты могут, превратившись в другие вещества, «экспортироваться» из печени. Глицерол, как уже говорилось выше, используется для образования глюкозы (глюконеогенеза).

Запасание витаминов

В печени запасаются главным образом жирорастворимые витамины — A, D, Е и К. Особенно богата витаминами А и D печень некоторых рыб, в частности трески и палтуса (в этом польза рыбьего жира). Витамин К необходим для биосинтеза факторов свертывания крови.

Печень накапливает и некоторые водорастворимые витамины, особенно витамины группы В (никотиновую и фолиевую кислоты, витамин В₁₂); запасается в ней и витамин С. Витамин В₁₂ и фолиевая кислота необходимы костному мозгу для образования эритроцитов, и недостаток этих веществ ведет к развитию анемии (малокровия) различных типов.

Запасание минеральных элементов

Наряду с железом и калием (см. ниже «Разрушение гемоглобина») в печени запасаются элементы, требующиеся организму в очень малых количествах. Это — так называемые микроэлементы, например медь, цинк, кобальт и молибден. Примерно одна тысячная сухой массы печеночной ткани человека представлена железом. Основная часть этого запаса находится здесь временно; железо высвобождается при разрушении в печени старых эритроцитов и хранится, пока не потребуется для образования новых эритроцитов в костном мозге.

Депонирование крови

Кровеносные сосуды, отходящие от селезенки и кишечника, соединяются, образуя воротную вену печени. Вместе с печеночной артерией она направляет в этот орган огромное количество крови; это — своего рода кровяное депо, хотя кровь в нем не застаивается, а медленно, но непрерывно протекает по многочисленным синусоидам. Импульсы, посылаемые симпатическими нейронами, и адреналин, выделяемый мозговым веществом надпочечников, вызывают сужение многих сосудов печени, и тогда в общую систему циркуляции поступает больше крови. Если объем крови в организме возрастает (например при переливании), печеночные и другие вены расширяются, вбирая излишки крови.

Образование эритроцитов

У плода образование эритроцитов происходит в печени, но постепенно эту функцию берет на себя костный мозг (разд. 14.3.2). Когда этот процесс завершается, печень начинает играть прямо противоположную роль, становясь одним из мест разрушения эритроцитов и гемоглобина.

Разрушение гемоглобина

Продолжительность жизни эритроцитов человека составляет примерно 120 суток. К концу этого периода они стареют и затем разрушаются фагоцитирующими макрофагами печени, селезенки и костного мозга. Содержащийся в них гемоглобин растворяется в плазме крови. Из плазмы его извлекают особые макрофаги и доставляют в печень, селезенку и лимфатические узлы. Макрофаги печени называют купферовскими клетками. Внутри макрофагов гемоглобин расщепляется на гем и глобин. Глобин представляет собой белковую часть молекулы гемоглобина, и гидролизуется затем до аминокислот, которые используются по-разному в зависимости от потребностей организма. От гема отщепляется железо, и, лишившись его, гем превращается сначала в зеленый пигмент биливердин, а затем в желтый — билирубин, который является одним из компонентов желчи. Накопление билирубина в крови приводит к характерному симптому некоторых заболеваний печени — желтухе, т. е. приобретению кожей и белками глаз желтоватого оттенка.

Железо образует в плазме крови комплекс с белком трансферрином и в таком виде транспортируется по организму, чтобы затем клетки костного мозга снова использовали его для образования гемоглобина. Избыток железа запасается в гепатоцитах в форме сложного белка ферритина.

Образование желчи

Желчь — это вязкая жидкость зеленовато-желтого цвета, секретируемая гепатоцитами и запасаемая в концентрированной форме в желчном пузыре. Ежедневно у человека образуется 500—1000 мл желчи. Она содержит примерно 98% воды, 0,8% желчных солей, 0,2% желчных пигментов, 0,7% неорганических солей и 0,6% холестерола.

Из печени желчь попадает в двенадцатиперстную кишку, где участвует в переваривании и всасывании жиров. Кроме того, она представляет собой одну из форм выведения из организма метаболических отходов (в частности, желчных пигментов). Сигналом для ее высвобождения в пищеварительный тракт (для сокращения желчного пузыря) служит вырабатываемый слизистой оболочкой кишечника гормон холецистокинин, называемый также панкреозимином (разд. 8.4.3).

Соли желчных кислот являются производными стероида холестерола, синтезируемого гепатоцитами. Наиболее обычные из этих солей — гликохолат и таурохолат натрия. Они секретируются вместе с холестеролом и фосфолипидами в форме крупных сферических частиц, называемых мицеллами. Молекулы солей желчных кислот по своим свойствам напоминают детергенты, поскольку один конец у них гидрофильный, а другой — гидрофобный. Холестерол и фосфолипиды удерживают полярные молекулы желчных солей вместе, так что все гидрофобные концы молекул ориентированы одинаково. В кишечнике гидрофобные концы прикрепляются к липидным каплям пищи, а гидрофильные концы — к воде. Это уменьшает поверхностное натяжение липидных капель, благодаря чему они дробятся, образуя мелкодисперсную эмульсию. В результате значительно увеличивается поверхность взаимодействия с жирами фермента липазы, расщепляющей липиды на глицерол и жирные кислоты, которые затем всасываются в кишечнике. Таким образом, желчные кислоты как бы активируют липазу, хотя их действие чисто физическое. При недостатке желчных солей в желчи в ней повышается концентрация холестерола, который может выпадать в осадок на стенках желчных протоков или желчного пузыря, образуя так называемые желчные камни. Эти камни могут вызывать закупорку желчного протока, приводящую к весьма болезненным симптомам.

Желчные пигменты не выполняют никаких физиологических функций — это просто продукты, подлежащие удалению из организма.

Образование холестерола

Холестерол, образующийся в печени, служит предшественником для синтеза других стероидов. Основной источник холестерола — пища. В частности, многие молочные продукты богаты не только им, но и жирными кислотами, из которых он может синтезироваться. Тироксин повышает как синтез холестерола в печени, так и его выделение с желчью. Избыток холестерола в крови может приводить к отложению его в стенках артерий, в результате чего снижается их эластичность (артериосклероз) и сужается их просвет (атеросклероз). Образующиеся атеросклеротические бляшки, повреждая эндотелий, ведут к внутрисосудистому свертыванию крови — тромбозу. Кровяные сгустки (тромбы), закупоривая сосуды (тромбоэмболия), нарушают кровоснабжение тканей и приводят к их отмиранию. Особенно опасна тромбоэмболия венечных артерий сердца, ведущая к инфаркту миокарда, и артерий головного мозга, вызывающая инсульт. Несмотря на это, некоторое количество холестерола в рационе необходимо по указанным в начале параграфа причинам.

Разрушение гормонов

В печени в той или иной степени разрушаются почти все гормоны. Тестостерон и альдостерон расщепляются довольно быстро, тогда как инсулин, глюкагон, гормоны пищеварительного тракта и надпочечников, женские половые гормоны, вазопрессин (АДГ) и тироксин — медленнее. Удаляя эти биологически активные вещества из крови, печень устраняет их эффекты, т. е. выступает в роли гомеостатического антагониста эндокринной системы.

Детоксикация

Детоксикация означает инактивацию токсинов (ядов). Токсичными могут стать самые обычные метаболиты и даже лекарства, если их концентрация в крови по каким-либо причинам превысит норму. Детоксикация относится к целому ряду гомеостатических функций печени, поддерживающих постоянство состава крови. Бактерии и другие патогенные организмы удаляются из крови синусоидов купферовскими клетками, а токсины, которые они выделяют, обезвреживаются в гепатоцитах с помощью различных биохимических реакций: окисления, восстановления, метилирования (присоединения метальной группы —СН₃) или конденсации, т. е. соединения с другой органической или неорганической молекулой. После детоксикации эти вещества, теперь уже в виде безвредных продуктов выводятся из организма почками. Самым токсичным веществом, содержащимся в крови, является аммиак, судьба которого рассмотрена в разд. 20.4.

Детоксикации в печени подвергаются и такие вещества, как алкоголь и никотин. Длительное потребление больших количеств спиртных напитков может привести к поражению печени, например к ее циррозу. Алкоголь окисляется в печени ферментом алкогольдегидрогеназой.

Некоторые виды метаболической активности в печени могут таить в себе потенциальную опасность для организма. Так, например, накапливается все больше данных, свидетельствующих о том, что определенные пищевые добавки могут превращаться в печени в токсичные или канцерогенные вещества. Даже популярное болеутоляющее средство парацетамол (ацетаминофен) при избыточном его употреблении превращается в вещество, которое влияет на ферментные системы и может повреждать печень и другие ткани.

Теплопродукция

Широко распространено мнение, согласно которому высокая интенсивность обменных процессов в печени делает ее одним из главных источников тепла в организме; однако, судя по последним данным, представление это является, по-видимому, ошибочным. Многие метаболические процессы, протекающие в печени, относятся к эндотермическим, т. е. сопровождаются поглощением, а не выделением энергии. При очень сильном охлаждении тела гипоталамус может усилить экзотермические процессы в печени, стимулируя высвобождение гормонов адреналина и тироксина. Однако при «нормальной» температуре печень можно считать «термически нейтральной»: ее температура лишь на 1—2 °С выше, чем у других внутренних органов.

Схематически совокупность функций печени представлена на рис. 19.23.

Рис. 19.23. Общая схема функций печени.