ВЗАИМОСВЯЗЬ ОБМЕНОВ УГЛЕВОДОВ, ЛИПИДОВ И БЕЛКОВ

В целях более детального изложения сложного биохимического материала вопросы обмена углеводов, липидов и белков представлены нами обособленно. В действительности, однако, биохимические процессы обмена углеводов, липидов и белков в живом организме представляют собой единый комплекс. Общность основных обменов выражается в наличии одних и тех же метаболитов. Например, глицерин и жирные кислоты — компоненты нейтрального жира — образуются из продуктов метаболизма глюкозы.

Основная стратегия клеточного метаболизма состоит в получении макроэргических соединений (носителей химической энергии) и метаболитов для различных биосинтезов. Так, большое количество молекул АТФ образуется при окислении глюкозы, жирных кислот, аминокислот. Общим посредником в большинстве этих окислений является ацетил-КоА, атомы углерода которого полностью окисляются до С02 в цикле трикар- боновых кислот с образованием НАДН + Н+ и ФАДН2, что в конечном счете приводит к образованию АТФ.

Анаэробный гликолиз также приводит к получению АТФ, но в значительно меньших количествах, чем реакции окислительного фосфорилирования. Анаэробное окисление глюкозы в лактат приводит к получению лишь двух молекул АТФ против 38 молекул АТФ, образующихся при полном аэробном окислении глюкозы до С02 и Н20.

Глюкоза и аминокислоты из эпителиальных клеток тонкого кишечника поступают непосредственно в кровь, а затем в печень. Жиры в форме хиломикронов секретируются из эпителиальных клеток кишечника преимущественно в лимфатическое русло, которое пронизывает стенку кишечника. Из лимфатической системы хиломикроны достигают системной циркуляции через грудной проток.

В клетках печени находятся биологические циклы, интегрирующие углеводный, липидный, белковый обмены. Печень является первым органом, который имеет возможность использовать глюкозу кормов. Глюкоза может быть превращена в гликоген в результате гликогенеза и в пировиноградную и молочную кислоты путем гликолиза или может быть использована в пентозофосфатном пути для генерации НАДН + Н~ для восстановительных процессов.

Пируват может быть окислен в ацетил-КоА, который, в свою очередь, способен конвертироваться в липиды или окисляться до С02 и Н20 в цикле трикарбоновых кислот. Однако ацетил- КоА не может быть трансформирован в организме в пируват, а потому клетки животных не способны превращать липиды в углеводы.

Мозг является основным потребителем глюкозы и почти полностью зависит от этого субстрата для продукции АТФ. Другими важными потребителями глюкозы являются эритроциты, которые способны превращать глюкозу только в лактат и пируват, и жировая ткань, трансформирующая глюкозу в липиды.

Скелетные мышцы, как и другие ткани, также имеют способность использовать глюкозу, превращая ее в гликоген, или использовать в анаэробном гликолизе и цикле трикарбоновых кислот. Лактат и пируват, полученные в периферических тканях, поступают в печень и могут превращаться через ацетил- КоА в липиды за счет липогенеза.

Белки кормов гидролизуются в тонком кишечнике, клетки которого используют небольшое количество аминокислот как источник энергии. Большинство же аминокислот кормов через воротную вену поступают в печень. В печени аминокислоты могут быть полностью окислены до С02 и NH3 или до промежуточных веществ, которые затем рассматриваются как субстраты для липогенеза, кетогенеза или глюконеогенеза. Избыток аминокислот, не использованный для протеосинтеза, конвертируется в кетоновые тела, глюкозу или липиды, тогда как аммиак поступает на синтез мочевины.

Аминокислоты, которые покидают печень, могут быть направлены на протеосинтез или для получения энергии в других тканях. Скелетные и сердечная мышцы имеют высокую способность для трансаминирования или полного окисления получаемых а-кислот. Разветвленные аминокислоты (лейцин, изолейцин и валин) при участии активных трансаминаз являются основными источниками азота в синтезе аланина и глутамина в скелетных мышцах.

Глюкоза, лактат, пируват, аминокислоты могут быть использованы на цели печеночного липогенеза. Липиды, полученные из этих субстратов в печени, могут поступать на синтез липопротеинов очень низкой плотности (ЛПОНП). Эти липопротеины циркулируют в крови до взаимодействия со специальным внеклеточным ферментом эндотелиальных клеток капилляров различных тканей.

Фермент липопротеинлипаза (ЛПЛ) особенно активен в капиллярах жировой ткани. Он оказывает свое действие как на ЛПОНП, так и на хиломикроны, освобождая жирные кислоты в результате гидролиза триглицеридов.

В адипоцитах жирные кислоты вместе с 3-фосфоглицери- ном образуют триглицериды, которые и запасаются в виде больших жировых капель в этих клетках. Глицерин, необходимый для синтеза триглицеридов в жировой ткани, получается в результате восстановления продуктов гликолиза — глицероальдегидфосфата и дигидроксиацетонфосфата при удалении Н3РО4.

В случае прекращения поступления в организм питательных веществ как источников энергии важную роль для поддержания уровня глюкозы в крови животного играет процесс глю- конеогенеза. При этом снижается активность липогенеза, а лактат, пируват, аминокислоты, используемые в этом процессе, направляются на образование глюкозы в печени. В этих условиях глюкоза затем конвертируется обратно в лактат за счет гликолиза в периферических тканях и, в частности, в эритроцитах. Аланин в данном случае также является важным субстратом для поддержания уровня глюкозы в крови.

Метаболизм ацетил-КоА

При голодании животного энергетические субстраты не поступают из кишечника и в печени имеет место минимум гликогена. Ткани, которые используют глюкозу, являются полностью зависимыми от печеночного глюконеогенеза, особенно из лактата, пирувата, аланина. Жирные кислоты не могут быть использованы на синтез глюкозы, так как ацетил-КоА, полученный в катаболизме жирных кислот, не может быть конвертирован в метаболиты глюконеогенеза. Глицерин в этих условиях, как продукт липолиза в жировой ткани, является важнейшим субстратом для синтеза глюкозы.

Белки гидролизуются в мышечных клетках (протеолиз) с получением свободных аминокислот. Многие из них метабо- лизируются различными путями, чтобы дать пируват и а-ке- тоглутарат, которые могут быть трансформированы в аланин и глутамин. Эти аминокислоты поступают в кровь, а затем в печень для синтеза глюкозы.

Пируват, полученный в тканях за счет гликолиза, может быть превращен в аланин. Большинство глутамина мышц конвертируется в аланин в эпителии кишечника. Глутамин частично окисляется в этих клетках для получения энергии этой ткани. Этот путь, вероятно, включает образование малата из глутамата через цикл трикарбоновых кислот и превращение малата в щавелево-уксусную кислоту с последующим превращением этой кислоты в фосфоенолпируват, а фосфоенолпиру- вата в пируват.

Прямое декарбоксилирование малата в пируват также возможно. Пируват затем трансаминируется в аланин; аланин является количественно более важной глюкогенной (гликогенной) аминокислотой в печени при голодании животного.

Глицин мышечной ткани трансформируется частично в серин почками, который последовательно превращается в глюкозу в печени или в почках.

Синтез глюкозы в печени при голодании животного тесно связан с синтезом мочевины. Так, метаболизм большинства аминокислот может привести к получению аммиака и аспарагиновой кислоты — компонентов синтеза мочевины. Дополнительным важным источником аммиака является слизистая оболочка кишечника, где происходит превращение глутамина в аланин и аммиак. Печень также обеспечивает синтез мочевины предшественником орнитина, таким как цит- руллин.

При голодании животного и жировая ткань является метаболически важной. В этих условиях снижается инсулин-глю- кагоновое отношение с резким усилением липолиза. Это приводит к подъему уровня жирных кислот в крови, которые могут рассматриваться как альтернативный источник энергии для многих тканей. В сердечной и скелетных мышцах окисление жирных кислот угнетает гликолиз. Мозг не окисляет жирные кислоты, так как они не способны проходить через гематоэнцефалический барьер.

Жирные кислоты играют важнейшую роль в печени, обеспечивая за счет бета-окисления получение больших количеств АТФ, необходимых для глюконеогенеза. Ацетил-КоА, образующийся за счет бета-окисления жирных кислот, конвертируется в кетоновые тела в митохондриях клеток печени; кетоновые тела поступают в кровь и являются источником энергии для различных тканей.

В отличие от жирных кислот, кетоновые тела легко проникают через гематоэнцефалический барьер и являются хорошим альтернативным источником энергии для мозга. Однако кетоновые тела не способны полностью заменить глюкозу для функций мозга. Высокий уровень кетоновых тел в крови при активном бета-окислении жирных кислот в печени снижает потребность в глюкозе, в гликогенных аминокислотах и протеолиз в мышечной ткани.

Следует указать, что уровень глюкозы в крови поддерживается в узких границах, тогда как концентрация жирных кислот и кетоновых тел может варьировать в значительных пределах. Постоянный уровень глюкозы в крови животного связан с абсолютной потребностью в ней мозга. Если концентрация глюкозы в крови окажется ниже 1,5 ммоль/л(1 ммоль/л = 18 мг%), то животное впадает в кому от недостатка продукции АТФ. С другой стороны, следует избегать гипергликемии как возможного риска развития гипергликемической комы.

Источником энергии скелетных мышц в раннюю стадию голодания являются жирные кислоты, мобилизованные из жировой ткани, которые снижают потребность ткани в глюкозе и ее окислении. Жирные кислоты обеспечивают 50-60% энергии, необходимой скелетной мышце в период отдыха и при сокращении. В отличие от глюкозы, использование жирных кислот мышцей практически не зависит от инсулина.

Источником метаболической энергии скелетной мышцы в поздней стадии голодания являются кетоновые тела, синтезируемые в печени. Использование жирных кислот и кетоновых тел мышцами экономит глюкозу для тканей, которые потребляют ее как основной источник энергии.

Разветвленные аминокислоты при голодании животного распадаются для обеспечения энергией периферических тканей, особенно скелетных и сердечной мышц. Жирные кислоты и адреналин стимулируют окисление указанных аминокислот мышц. Эффект адреналина при использовании аминокислот скелетными мышцами может быть связан и с его влиянием на липолитическую активность в жировой ткани.

Первым этапом в катаболизме аминокислот часто является их реакция трансаминирования с участием а-кетоглутаровой кислоты для получения глутамина и трансаминирование глутамина с пируватом для образования аланина. Аланин, в свою очередь, через процесс глюконеогенеза превращается в глюкозу в печени и почках.

Сердечная мышца использует различные субстраты для получения энергии, но 60-90% энергии для ее функций образуются при окислении жирных кислот. Глюкоза, пируват, лактат используются сердечной мышцей в первую очередь после приема корма животным, когда еще уровень свободных жирных кислот в крови остается низким. При этом пируват и лактат, а также лейцин, изолейцин, валин угнетают уровень и окисление свободных жирных кислот.

Жирные кислоты, мобилизованные из жировой ткани, являются основным метаболическим источником энергии сердца при голодании; при этом липопротеинлипаза сердца усиливает гидролиз триглицеридов плазмы крови. При длительном голодании кетоновые тела являются более предпочтительным субстратом в качестве источника энергии сердца.

Следует отметить, что ацетат, присутствующий в крови в значительных количествах только после приема алкоголя, также служит источником энергии для сердечной мышцы человека.

Поскольку химические реакции в организме в подавляющем большинстве являются ферментативными, то регуляция метаболизма в целом осуществляется путем изменения активности ферментов. Активность регуляторных ферментов может контролироваться несколькими механизмами. В частности, регуляция ферментов может осуществляться ковалентной модификацией и нековалентно аллостерическими агентами. Уровень активности ферментов может регулироваться также степенью их синтеза (индукция) или распада (репрессия). Ковалентная модификация и аллостерическая регуляция протекают быстро — секунды и минуты, тогда как изменение активности ферментов через их синтез-распад составляет минуты и часы.

Молекулярная логика подсказывает, когда данный метаболит будет повышать или снижать активность метаболического пути. Например, по типу обратной связи АТФ будет угнетать «энергия-производящие» пути, тогда как АДФ или АМФ будут активировать эти пути.

Кроме ферментативного контроля, общий метаболизм координируется органами и тканями. Продукты распада кормов распределяются по различным тканям. В частности, углеводы и аминокислоты транспортируются системой воротной вены в печень. Жиры, напротив, транспортируются из пищеварительного тракта в форме хиломикронов посредством лимфатической системы в кровяное русло.

Гормоны наделены ключевой ролью в интеграции метаболизма. Среди них инсулин и глюкагон играют определяющую роль в метаболизме гомеостаза глюкозы. Эти два гормона имеют противоположные биохимические эффекты; инсулин является анаболическим гормоном, ускоряющим синтез гликогена, триглицеридов, белков. Глюкагон — катаболический гормон, который способствует распаду белков и жиров. Глюкагон стимулирует распад гликогена и угнетает синтез этого полисахарида посредством цАМФ. Глюкагон повышает уровень цАМФ в жировых клетках, который активирует липазу для распада триглицеридов.

Этот весьма краткий обзор свидетельствует о сложности метаболических взаимосвязей в организме животного. Понимание метаболических превращений в их единстве совершенно необходимо для объективной оценки как физиологического состояния, так и патологического процесса. Следует помнить, что именно через биохимические показатели организма, отражающие течение метаболических реакций на молекулярном уровне, возможно своевременно диагностировать те или иные нарушения обмена веществ в организме, а следовательно, и принять необходимые меры к их устранению.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >