Голодание в течение 24 ч приводит практически к полному исчезновению гликогена в клетках печени. Однако при ритмичном питании каждая молекула гликогена может существовать неопределенно долго: при отсутствии пищеварения и поступления в ткани глюкозы молекулы гликогена уменьшаются за счет расщепления периферических ветвей, а после очередного приема пищи вновь вырастают до прежних размеров.
Глюкозо-1-фосфат, образующийся из гликогена, при участии фосфоглюкомутазы превращается в глюкозо-6-фосфат, дальнейшая судьба которого в печени и в мышцах различна. В печени глюкозо-6-фосфат превращается в глюкозу при участии глюкозо-6-фосфатазы, глюкоза выходит в кровь и используется в других органах и тканях.
Регуляция процессов гликогенеза и гликогенолиза осуществляется гормонами: инсулином, глюкагоном, адреналином. Первичный сигнал для синтеза инсулина и глюкагона — изменение концентрации глюкозы в крови. Инсулин и глюкагон постоянно присутствуют в крови, но при смене абсорбтивного периода на постабсорбтивный изменяется их относительная концентрация, что является главным фактором, переключающим метаболизм гликогена в печени. Отношение концентрации инсулина в крови к концентрации глюкагона называют «инсулин-глюкагоновый индекс». В постабсорбтивном периоде инсулин-глюкагоновый индекс снижается, и решающее значение в регуляции концентрации глюкозы и крови приобретает концентрация глюкагона. В период пищеварения преобладает влияние инсулина, так как инсулин-глюкагоновый индекс в этом случае повышается. В целом инсулин влияет на обмен гликогена противоположно глюкагону. Инсулин снижает концентрацию глюкозы в крови в период пищеварения.
Гормон адреналин стимулирует выведение глюкозы из печени в кровь, для того чтобы снабдить ткани (в основном мозг и мышцы) «топливом» в экстремальной ситуации.
Регуляторным фактором в метаболизме гликогена является также величина Км глюкокиназы, которая много выше, чем Км гексокиназы - печень не должна потреблять глюкозу для синтеза гликогена, если её количество в крови в пределах нормы.
1.1.2 Регуляция липидного обмена
Липидный обмен в печени включает биосинтез различных липидов (холестерина, триацилглицерина, фосфоглицеридов, сфингомиелина и др.) которые поступают в кровь и распределяются по другим тканям и сгорание (окисление) жирных кислот с образованием кетоновых тел, которые используются как источник энергии для внепеченочных тканей.
Доставка жирных кислот к месту окисления – к митохондриям клеток печени – происходит сложным путем: при участии альбумина осуществляется транспорт жирных кислот в клетку; при участии специальных белков – транспорт в пределах цитозоля; при участии карнитина – транспорт жирной кислоты из цитозоля в митохондрии.
Процесс окисления жирных кислот складывается из следующих основных этапов.
1. Активация жирных кислот. Активация протекает на наружной поверхности мембраны митохондрии при участии АТФ, коэнзима А (HS-KoA) и ионов Mg2+ . Реакция катализируется ферментом ацил-КоА-синтетазой:
Активация протекает в 2 этапа. Сначала жирная кислота реагирует с АТФ с образованием ациладенилата, далее сульфгидрильная группа КоА действует на прочно связанный с ферментом ациладенилат с образованием ацил-КоА и АМФ.
Затем следует транспорт жирных кислот внутрь митохондрий. Переносчиком активированных жирных кислот с длинной цепью через внутреннюю митохондриальную мембрану служит карнитин. Ацильная группа переносится с атома серы КоА на гидроксильную группу карнитина.
2. Образуется ацилкарнитин, который диффундирует через внутреннюю митохондриальную мембрану:
Реакция протекает при участии спецефического цитоплазматического фермента карнитин-ацилтрансферазы. После прохождения ацилкарнитина через мембрану митохондрий происходит обратная реакция – расщепление ацилкарнитина при участии HS-KoA и митохондриальной карнитин-ацилтрансферазы:
3. Внутримитохондриальное окисление жирных кислот. Процесс окисления жирной кислоты в митохондриях клетки включает несколько последовательных реакций.
Первая стадия дегидрирования. Ацил-КоА в митохондриях подвергается ферментативному дегидрированию, при этом ацил-КоА теряет 2 атома водорода в б- и в-положениях, превращаясь в КоА-эфир ненасыщенной кислоты. Реакцию катализирует ацил-КоА-дегидрогеназа, продуктом является еноил-КоА :
Стадия гидратации. Ненасыщенный ацил-КоА (еноил-КоА) при участии фермента еноил-КоА-гидратазы присоединяет молекулу воды. В результате образуется в-оксиацил-КоА (или 3-гидроксиацил-КоА):
Вторая стадия дегидрирования. Образовавшийся в-оксиацил-КоА (3-гидроксиацил-КоА) затем дегидрируется. Эту реакцию катализируют НАД-зависимые дегидрогеназы:
Тиолазная реакция. Расщепление 3-оксоацил-КоА с помощью тиоловой группы второй молекулы КоА. В результате образуется укороченный на два углеродных атома ацил-КоА и двууглеродный фрагмент в виде ацетил-КоА. Данная реакция катализируется ацетил-КоА-ацилтрансферазой (в-ке-тотиолазой):
Образовавшийся ацетил-КоА подвергается окислению в цикле трикарбоновых кислот, а ацил-КоА, укоротившийся на два углеродных атома, снова многократно проходит весь путь в-окисления вплоть до образования бутирил-КоА (4-углеродное соединение), который в свою очередь окисляется до 2 молекул ацетил-КоА [2].
Биосинтез жирных кислот . Синтез жирных кислот протекает в цитоплазме клетки. В митохондриях в основном происходит удлинение существующих цепей жирных кислот. Установлено, что в цитоплазме печеночных клеток синтезируется пальмитиновая кислота (16 углеродных атомов), а в митохондриях этих клеток из этой пальмитиновой кислоты или из жирных кислот экзогенного происхождения, т.е. поступающих из кишечника, образуются жирные кислоты, содержащие 18, 20 и 22 углеродных атома.
Митохондриальная система биосинтеза жирных кислот, включает несколько модифицированную последовательность реакций в-окисления, и осуществляет только удлинение существующих в организме среднецепочечных жирных кислот, в то время как полный биосинтез пальмитиновой кислоты из ацетил-КоА активно протекает в цитозоле, т.е. вне митохондрий, по совершенно другому пути.
Внемитохондриальная система биосинтеза жирных кислот (липогенез) находится в растворимой (цитозольной) фракции клеток печени. Биосинтез жирных кислот протекает с участием НАДФН, АТФ, Мn2+ и НСО3– (в качестве источника СО2); субстратом является ацетил-КоА, конечным продуктом – пальмитиновая кислота.
Образование ненасыщенных жирных кислот . Элонгация жирных кислот .
Две наиболее распространенные мононенасыщенные жирные кислоты – пальмитоолеиновая и олеиновая – синтезируются из пальмитиновой и стеариновой кислот. Эти превращения протекают в микросомах клеток печени. Превращению подвергаются только активированные формы пальмитиновой и стеариновой кислот. Ферменты, участвующие в этих превращениях, получили название десатураз. Наряду с десатурацией жирных кислот (образование двойных связей) в микросомах происходит и их удлинение (элонгация), причем оба эти процесса могут сочетаться и повторяться. Удлинение цепи жирной кислоты происходит путем последовательного присоединения к соответствующему ацил-КоА двууглеродных фрагментов при участии малонил-КоА и НАДФН. Ферментная система, катализирующая удлинение жирных кислот, получила название элонгазы. Пути превращения пальмитиновой кислоты в реакциях десатурации и элонгации представлены в приложении 14.
Биосинтез триглицеридов . Синтез триглицеридов происходит из глицерина и жирных кислот (главным образом стеариновой, пальмитиновой и олеиновой). Первый путь биосинтеза триглицеридов в печени протекает через образование б-глицерофосфата (глицерол-3-фосфата) как промежуточного соединения, глицерин фосфорилируется за счет АТФ с образованием глицерол-3-фосфата:
Второй путь в основном связан с процессами гликолиза и гликогенолиза. Известно, что в процессе гликолитического распада глюкозы образуется дигидроксиацетонфосфат, который в присутствии цитоплазматической глицерол-3-фосфатдегидрогеназы способен превращаться в глицерол-3-фосфат:
Образовавшийся тем или иным путем глицерол-3-фосфат последовательно ацилируется двумя молекулами КоА-производного жирной кислоты. В результате образуется фосфатидная кислота (фосфатидат):
Ацилирование глицерол-3-фосфата протекает последовательно, т.е. в 2 этапа. Сначала глицерол-3-фосфат-ацилтрансфераза катализирует образование лизофосфатидата. Далее фосфатидная кислота гидролизуется фосфатидат-фосфогидролазой до 1,2-диглицерида (1,2-диацилглицерола):
Затем 1,2-диглицерид ацилируется третьей молекулой ацил-КоА и превращается в триглицерид (триацилглицерол). Эта реакция катализируется диацилглицерол-ацилтрансферазой:
Установлено, что большинство ферментов, участвующих в биосинтезе триглицеридов, находятся в эндоплазматическом ретикулуме, и только некоторые, например глицерол-3-фосфат-ацилтрансфераза,– в митохондриях.
Метаболизм фосфолипидов . Фосфолипиды играют важную роль в структуре и функции клеточных мембран, активации мембранных и лизосомальных ферментов, в проведении нервных импульсов, свертывании крови, иммунологических реакциях, процессах клеточной пролиферации и регенерации тканей, в переносе электронов в цепи дыхательных ферментов. Особая роль фосфолипидам отводится в формировании липопротеидных комплексов. Наиболее важные фосфолипиды синтезируются главным образом в эндоплазматической сети клетки.
Центральную роль в биосинтезе фосфолипидов играют 1,2-диглицериды (в синтезе фосфатидилхолинов и фосфатидилэтаноламинов), фосфатидная кислота (в синтезе фосфатидилинозитов) и сфингозин (в синтезе сфингомиелинов). Цитидинтрифосфат (ЦТФ) участвует в синтезе практически всех фосфолипидов.
Биосинтез холестерина . В синтезе холестерина можно выделить три основные стадии: I – превращение активного ацетата в мевалоновую кислоту, II – образование сквалена из мевалоновой кислоты, III – циклизация сквалена в холестерин.
Рассмотрим стадию превращения активного ацетата в мевалоновую кислоту. Начальным этапом синтеза мевалоновой кислоты из ацетил-КоА является образование ацетоацетил-КоА посредством обратимой тиолазной реакции. Затем при последующей конденсации ацетоацетил-КоА с 3-й молекулой ацетил-КоА при участии гидроксиметилглутарил-КоА-синтазы (ГМГ-КоА-синтаза) образуется в-гидрокси-в-метилглутарил-КоА. Далее в-гидрокси-в-метилглутарил-КоА под действием регуляторного фермента НАДФ-зависимой гидроксиметилглутарил-КоА-редуктазы (ГМГ-КоА-редуктаза) в результате восстановления одной из карбоксильных групп и отщепления HS-KoA превращается в мевалоновую кислоту.
Наряду с классическим путем биосинтеза мевалоновой кислоты имеется второй путь, в котором в качестве промежуточного субстрата образуется в-гидрокси-в-метилглутарил-S-АПБ. Реакции этого пути идентичны начальным стадиям биосинтеза жирных кислот вплоть до образования ацетоацетил-S-АПБ. В образовании мевалоновой кислоты по этому пути принимает участие ацетил-КоА-карбоксилаза – фермент, осуществляющий превращение ацетил-КоА в малонил-КоА.
На II стадии синтеза холестерина мевалоновая кислота превращается в сквален. Реакции II стадии начинаются с фосфорилирования мевалоновой кислоты с помощью АТФ. В результате образуется 5-фосфорный эфир, а затем 5-пирофосфорный эфир мевалоновой кислоты 5-пирофосфомевалоновая кислота в результате последующего фосфорилирования третичной гидроксильной группы образует нестабильный промежуточный продукт – 3-фосфо-5-пирофосфомевалоновую кислоту, которая, декарбоксилируясь и теряя остаток фосфорной кислоты, превращается в изопентенилпирофосфат. Последний изомеризуется в диметил-аллилпирофосфат. Затем оба изомерных изопентенилпирофосфата (диметилаллилпирофосфат и изопентенилпирофосфат) конденсируются с высвобождением пирофосфата и образованием геранилпирофосфата. К геранилпирофосфату вновь присоединяется изопентенилпирофосфат. В результате этой реакции образуется фарнезилпирофосфат. В заключительной реакции данной стадии в результате НАДФН-зависимой восстановительной конденсации 2 молекул фарнезилпирофосфата образуется сквален.
На III стадии биосинтеза холестерина сквален под влиянием сквален-оксидоциклазы циклизируется с образованием ланостерина. Дальнейший процесс превращения ланостерина в холестерин включает ряд реакций, сопровождающихся удалением трех метильных групп, насыщением двойной связи в боковой цепи и перемещением двойной связи.
Общая схема синтеза холестерина представлена в приложении 15.
Метаболизм кетоновых тел . Под термином кетоновые (ацетоновые) тела подразумевают ацетоуксусную кислоту (ацетоацетат) СН3СОСН2СООН, в-оксимасляную кислоту (в-оксибутират, или D-3-гидроксибутират) СН3СНОНСН2СООН и ацетон СН3СОСН3.
Образование кетоновых тел происходит в несколько этапов (приложение 16). На первом этапе из 2 молекул ацетил-КоА образуется ацетоацетил-КоА. Реакция катализируется ферментом ацетил-КоА-ацетилтрансферазой (3-кетотиолазой). Затем ацетоацетил-КоА взаимодействует еще с одной молекулой ацетил-КоА. Реакция протекает под влиянием фермента гидроксиметилглутарил-КоА-синтетазы. Образовавшийся в-окси-в-метилглутарил-КоА способен под действием гидроксиметилглутарил-КоА-лиазы расщепляться на ацетоацетат и ацетил-КоА. Ацетоацетат восстанавливается при участии НАД-зависимой D-3-гидроксибутиратдегидрогеназы, при этом образуется D-в-оксимасляная кислота (D-3-гидроксибутират).
Существует второй путь синтеза кетоновых тел. Образовавшийся путем конденсации 2 молекул ацетил-КоА ацетоацетил-КоА способен отщеплять коэнзим А и превращаться в ацетоацетат. Этот процесс катализируется ферментом ацетоацетил-КоА-гидролазой (деацилазой). Однако второй путь образования ацетоуксусной кислоты (ацетоацетата) не имеет существенного значения, так как активность деацилазы в печени низкая.
В крови здорового человека кетоновые тела содержатся лишь в очень небольших концентрациях (в сыворотке крови 0,03–0,2 ммоль/л). Следует подчеркнуть важную роль кетоновых тел в поддержании энергетического баланса. Кетоновые тела – поставщики топлива для мышц, почек и действуют, возможно, как часть регуляторного механизма с обратной связью, предотвращая чрезвычайную мобилизацию жирных кислот из жировых депо. Печень в этом смысле является исключением, она не использует кетоновые тела в качестве энергетического материала. Из митохондрий печени эти соединения диффундируют в кровь и переносятся к периферическим тканям.
Печень является центральным местом обмена ВЖК. Сюда они поступают из кишечника, жировых депо в составе альбуминов плазмы крови [5].
Регуляция синтеза и распада жиров в печени . В клетках печени есть активные ферментные системы и синтеза, и распада жиров. Регуляция обмена жиров в значительной мере определяется регуляцией обмена жирных кислот, но не исчерпывается этими механизмами. Синтез жирных кислот и жиров активируется при пищеварении, а их распад — в постабсорбтивном состоянии и при голодании. Кроме того, скорость использования жиров пропорциональна интенсивности мышечной работы. Регуляция обмена жиров тесно сопряжена с регуляцией обмена глюкозы. Как и в случае обмена глюкозы, в регуляции обмена жиров важную роль играют гормоны инсулин, глюкагон, адреналин и процессы переключения фосфорилирования-дефосфорилирования белков.
1.1.3 Регуляция обмена белков
Регуляция обмена белков в печени осуществляется благодаря интенсивному биосинтезу в ней белков и окислению аминокислот. За сутки в организме человека образуется около 80—100 г белка, из них половина в печени. При голодании печень быстрее всех расходует свои резервные белки для снабжения аминокислотами других тканей. Потери белка в печени составляют примерно 20%; в то время как в других органах не более 4%. Белки самой печени в норме обновляются полностью каждые 20 суток. Большинство синтезированных белков печень отправляет в плазму крови. При потребности (например, при полном или белковом голодании) эти протеины так же служат источниками необходимых аминокислот.
Поступив через воротную вену в печень, аминокислоты подвергаются ряду превращений, так же значительная часть аминокислот разносится кровью по всему организму и используется для физиологических целей. Печень обеспечивает баланс свободных аминокислот организма путем синтеза заменимых аминокислот и перераспределения азота. Всосавшиеся аминокислоты в первую очередь используются в качестве строительного материала для синтеза специфических тканевых белков, ферментов, гормонов и других биологически активных соединений. Некоторое количество аминокислот подвергается распаду с образованием конечных продуктов белкового обмена (СО2, Н2О и NH3) и освобождением энергии.
Все альбумины, 75-90% б-глобулинов (б1 -антитрипсин, б2 -макроглобулин – ингибиторы протеаз, белки острой фазы воспаления), 50% в-глобулинов плазмы синтезируются гепатоцитами. В печени происходит синтез белковых факторов свертывания крови (протромбина, фибриногена, проконвертина, акцелератора глобулина, фактора Кристмаса, фактора Стюарта-Прауэра) и часть естественных основных антикоагулянтов (антитромбин, протеин С и др.). Гепатоциты участвуют в образовании некоторых ингибиторов фибринолиза, регуляторы эритропоэза – эритропоэтины – образуются в печени. Гликопротеин гаптоглобин, вступающий в комплекс с гемоглобином для предупреждения его выделения почками, тоже имеет печёночное происхождение. Данное соединение принадлежит к белкам острой фазы воспаления, обладает пероксидазной активностью. Церулоплазмин, также являющийся гликопротеином, синтезируемым печенью, можно считать внеклеточной супероксиддисмутазой, что позволяет защищать мембраны клеток; мало того, он стимулирует продукцию антител. Подобным действием, только на клеточный иммунитет, обладает трансферрин, полимеризация которого так же осуществляется гепатоцитами.
Ещё один углеводсодержащий белок, но с иммуносупрессивными свойствами, способен синтезироваться печенью – б-фетопротеин, рост концентрации которого в плазме крови служит ценным маркёром некоторых опухолей печени, яичек и яичников. Печень - источник большей части протеинов системы комплемента.
В печени наиболее активно протекает обмен мономеров белков - аминокислот: синтез заменимых аминокислот, синтез небелковых азотистых соединений из аминокислот (креатина, глутатиона, никотиновой кислоты, пуринов и пиримидинов, порфиринов, дипептидов, коферментов пантотената и др.), окисление аминокислот с образованием аммиака, который обезвреживается в печени при синтезе мочевины [6].
Итак, рассмотрим общие пути обмена аминокислот . Общие пути превращения аминокислот в печени включают реакции дезаминирования, трансаминирования, декарбоксилирования и биосинтез аминокислот.
Дезаминирование аминокислот. Доказано существование 4 типов дезаминирования аминокислот (отщепление аминогруппы) (приложение 17). Выделены соответствующие ферментные системы, катализирующие эти реакции, и идентифицированы продукты реакции. Во всех случаях NH2 -группа аминокислоты освобождается в виде аммиака. Помимо аммиака, продуктами дезаминирования являются жирные кислоты, оксикислоты и кетокислоты.
Трансаминирование аминокислот. Под трансаминированием подразумевают реакции межмолекулярного переноса аминогруппы (NH2—) от аминокислоты на б-кетокислоту без промежуточного образования аммиака. Реакции трансаминирования являются обратимыми и протекают при участии специфических ферментов аминотрансфераз, или трансаминаз.
Пример реакции трансаминирования:
Декарбоксилирование аминокислот. Процесс отщепления карбоксильной группы аминокислот в виде СО2 . Образующиеся продукты реакции – биогенные амины. Реакции декарбоксилирования в отличие от других процессов промежуточного обмена аминокислот являются необратимыми. Они катализируются специфическими ферментами – декарбоксилазами аминокислот.
Обезвреживание аммиака в организме . В организме человека подвергается распаду около 70 г аминокислот в сутки, при этом в результате реакций дезаминирования и окисления биогенных аминов освобождается большое количество аммиака, являющегося высокотоксичным соединением. Поэтому концентрация аммиака в организме должна сохраняться на низком уровне. Уровень аммиака в крови в норме не превышает 60 мкмоль/л . Аммиак должен подвергаться связыванию в печени с образованием нетоксичных соединений, легко выделяющихся с мочой.
Один из путей связывания и обезвреживания аммиака в организме это биосинтез глутамина (и, возможно, аспарагина). Глутамин и аспарагин выделяются с мочой в небольшом количестве. Скорее они выполняют транспортную функцию переноса аммиака в нетоксичной форме. Синтеза глутамина, катализируется глутаминсинтетазой.
Второй и основной путь обезвреживания аммиака в печени – образование мочевины, который будет рассмотрен ниже в мочевинообразовательной функции печени.
В гепатоцитах отдельные аминокислоты подвергаются специфическим преобразованиям. Из серосодержащих аминокислот образуется таурин, который позднее включается в парные жёлчные кислоты (таурохолевая, тауродезоксихолевая), а также может служить антиоксидантом, связывая гипохлорит анион, стабилизировать мембраны клеток; происходит активация метионина, который в виде S - аденозилметионина служит источником метильных групп реакциях окончания генеза креатина, синтеза холина для холинфосфатидов (липотропных веществ).
Биосинтез заменимых аминокислот. Любая из заменимых аминокислот может синтезироваться в организме в необходимых количествах. При этом углеродная часть аминокислоты образуется из глюкозы, а аминогруппа вводится из других аминокислот путем трансаминирования. Алании, аспартат, глутамат образуются из пирувата, оксалоацетата и б-кетоглутарата соответственно. Глутамин образуется из глутаминовой кислоты при действии глутаминсинтетазы:
8-09-2015, 20:08