БИОХИМИЯ И МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ - В. ЭЛЛИОТ - 2002
ГЛАВА 4. ПЕРЕВАРИВАНИЕ И ВСАСЫВАНИЕ ПИЩИ
В этой главе мы рассмотрим вопросы, связанные с перевариванием и всасыванием пищи (именно с этого начинается метаболизм), обсудим, что представляет собой пища с химической точки зрения, как она трансформируется, прежде чем попасть в кровь, и каким образом она туда попадает.
Химический состав пищи
Пища содержит три главных компонента: белки, углеводы и липиды.
Белки представляют собой высокомолекулярные полимеры, образованные двадцатью видами аминокислот, соединенных пептидными связями.
Углеводы - это сахара и их производные. Термин своим происхождением обязан общей формуле обычных сахаров - Сn(Н2O)n, из которой следует, что они состоят из углерода и воды. Хотя пища и содержит моносахариды, например, глюкозу, но большая часть углеводов, присутствующих в ней, встречается в виде дисахаридов, в том числе сахарозы и полисахаридов типа крахмала.
Липиды представлены главным образом триглицеридами или нейтральными жирами. Их типичными примерами могут служить сливочное и оливковое масло, жировые прослойки говядины или баранины. Полярные липиды также присутствуют в пище, но обычно их гораздо меньше.
Переваривание и всасывание
За исключением моносахаридов типа глюкозы, вся пища подвергается в кишечнике гидролитическому расщеплению, распадаясь на элементарные строительные блоки, из которых они состоят: белки - до аминокислот, углеводы - до моносахаридов, нейтральные жиры - до жирных кислот и моноглицеридов. Ни в каком ином виде компоненты пищи не могут проникать в эпителиальные клетки, выстилающие пищеварительный тракт.
Анатомия пищеварительного тракта
Рассмотрим отдельные участки пищеварительного тракта.
В ротовой полости пища разжевывается и смачивается, что облегчает ее проглатывание. В незначительной степени здесь происходит расщепление крахмала.
Желудок содержит соляную кислоту, которая «стерилизует» пищу и денатурирует белки; здесь же начинается расщепление белков.
Основной вклад в переваривание и усвоение всех компонентов пищи вносит тонкий кишечник. Его внутренняя поверхность образована крохотными пальцеобразными выростами, или ворсинками, которые покрыты эпителиальными клетками. На обращенной в просвет кишки поверхности эпителиальных клеток имеется множество микроворсинок, образующих вместе с клетками так называемую щеточную каемку. Благодаря микроворсинкам происходит существенное увеличение площади контакта кишечника с его содержимым (рис. 4.1).
Рис. 4.1. Строение внутренней поверхности тонкого кишечника (схематично)
В толстом кишечнике из остатков пищи удаляется избыток воды.
Что такое переваривание и всасывание с энергетической точки зрения
Гидролитическое расщепление белков до аминокислот, углеводов до моносахаридов, триглицеридов до глицерина и жирных кислот представляет собой экзоэргонический процесс, при котором значительные отрицательные величины ∆G полностью сдвигают равновесие в сторону образования продуктов гидролиза.
Всасывание часто связано с перемещением веществ против их концентрационных градиентов и потому требует затрат энергии.
Почему организм сам себя не переваривает?
По своему составу пища мало чем отличается от тканей поедающих ее животных. Ферменты, расщепляющие пищу, образуются внутри клеток, которые при этом сами не подвергаются их разрушительному действию. Здесь наблюдаются две линии защиты.
Образование проферментов зимогенов
Многие пищеварительные ферменты синтезируются в виде неактивных белков-предшественников, называемых зимогенами, или проферментами. Именно в таком виде они секретируются клетками, и поэтому их цитоплазма защищена от контакта с активной формой фермента. Амилаза, разрушающая крахмал, секретируется
в активном состоянии, возможно потому, что внутри клеток-продуцентов крахмал отсутствует. Вопросы синтеза пищеварительных ферментов и их секреции не имеют прямого отношения к пищеварению и будут рассмотрены в главе 22.
Защита эпителиальных клеток с помощью слизи
Слой слизи, покрывающий внутреннюю поверхность кишечника, - основная защита эпителиальных клеток от активных форм пищеварительных ферментов. Основными компонентами слизи являются муцины. Это гликопротеины с большой молекулярной массой, значительная доля которой приходится на олигосахариды, состоящие из остатков фукозы, глюкозамина, сиаловой кислоты и т. п. Благодаря межмолекулярному взаимодействию муцины в воде создают трехмерные молекулярные сети; вследствие этого образуется гель, защищающий эпителиальные клетки. Белковая часть муцинов относительно устойчива к перевариванию благодаря защитному действию углеводов. Муцины синтезируются и секретируются особыми бокаловидными клетками кишечного эпителия в соответствии с потребностями пищеварения.
Переваривание белков
В нативных белках полипептидная цепь плотно уложена в компактную глобулу, так что значительная часть пептидных связей не доступна для гидролитических ферментов. Отсюда возникает необходимость в предварительной денатурации белка. Она происходит в желудке, содержимое которого благодаря секреции НСl имеет рН~2. В такой среде разрываются многие слабые связи, стабилизирующие белковую глобулу, и она разворачивается, открывая внутренние участки полипептидной цепи для протеолиза -ферментативного гидролиза белков. Кроме того, соляная кислота убивает попадающие с пищей микроорганизмы.
Образование HCI в желудке
Соляную кислоту секретируют париетальные клетки эпителия желудка. В основе этого процесса лежит выкачивание из клеток ионов водорода против их концентрационного градиента. Оно происходит в результате трансмембранного Н+/К+-обмена, источником энергии для которого служит гидролиз АТР (сравните Na+/K+- обмен, описанный на с. 65). Клетки, секретирующие кислоту, содержат Н+/К+-АТРазу. Используя энергию гидролиза АТР, они выкачивают Н+ в обмен на входящий внутрь клетки К+, который впоследствии выводится из клетки (рис. 4.2). Откуда берутся протоны? Двуокись углерода (СO2), попадающая в клетку из крови, под действием фермента карбоангидразы превращается в угольную кислоту, которая затем диссоциирует с образованием бикарбонатиона.
Бикарбонатные ионы при помощи анионтранспортного белка обмениваются на ионы Сl- в крови (см. рис. 4.2), затем выходят в полость желудка, образуя НСl.
Рис. 4.2. Механизм образования НСl в желудке
Пепсин - протеолитический фермент желудка
В название ферментов обычно включается суффикс -аза, однако пищеварительные ферменты традиционно называют: пепсин, химотрипсин, трипсин. Названия их неактивных предшественников получают добавлением суффикса -оген: пепсиноген, химотрипсиноген, трипсиноген.
Эпителиальные клетки желудка секретируют пепсиноген. Эта секреция стимулируется гормоном гастритом, который клетки желудка выделяют в кровь в ответ на поступление в него пищи. Пепсиноген превращается в пепсин после отщепления от его полипептидной цепи фрагмента из 44 аминокислотных остатков, который
экранирует и тем самым блокирует активный центр. При попадании в сильно кислую среду пепсиноген претерпевает конформационные изменения, достаточные для того, чтобы разблокировать активный центр и «отщепить» дополнительный фрагмент цепи. Такая активация фермента носит аутокаталитический характер, поскольку, как только появляется небольшое количество пепсина, он также вступает в процесс активации, превращая пепсиноген в активный фермент.
Сильно кислая среда является оптимальной для работы пепсина. Этим он отличается от подавляющего большинства ферментов, которые активны в нейтральных условиях (см. рис. 1.3, а). Пепсин гидролизует пептидные связи, расположенные внутри полипептидной цепи белка-мишени, поэтому его действие приводит к образованию смеси пептидов. Такого рода ферменты называют эндопептидазами, в отличие от экзопептидаз, расщепляющих только пептидные связи концевых аминокислот.
Протеолитические ферменты (протеиназы, или протеазы) обычно обладают избирательностью, расщепляя пептидные связи, образованные лишь определенными аминокислотами. Это справедливо и для пепсина, поэтому в желудке происходит только частичное переваривание белков. Пепсин наиболее легко разрывает пептидные связи, NН-группы которых принадлежат ароматическим аминокислотам: тирозину, фенилаланину или триптофану.
Детеныши млекопитающих большую часть белков потребляют в виде материнского молока. В их желудках оно створаживается под действием фермента реннина. Образование сгустка задерживает продвижение нерастворимого казеина в желудочно-кишечном тракте, в результате чего он дольше подвергается действию протеаз.
Переваривание белков в тонком отделе кишечника
Частично переваренная в желудке пища (химус) далее попадает в двенадцатиперстную кишку. Кислый химус стимулирует выделение клетками кишечника в кровь гормонов (секретина и холецистокинина), благодаря которым поджелудочная железа начинает секретировать панкреатический сок. Сок имеет щелочную реакцию (как и желчь) и нейтрализует химус, останавливая тем самым действие пепсина и способствуя деятельности панкреатических ферментов, которые наиболее активны в слабощелочной среде.
Клетки поджелудочной железы секретируют целый ряд протеиназ. В составе панкреотического сока они поступают в мелкие протоки, сливающиеся в один главный, который соединен с двенадцатиперстной кишкой. Среди панкреатических протеиназ имеются три эндопептидазы: трипсин, химотрипсин и эластаза. Они поступают в кишечник в виде неактивных предшественников: трипсиногена, химотрипсиногена и проэластазы. В виде неактивного предшественника выделяется и карбоксипептидаза - экзопептидаза, последовательно отщепляющая аминокислоты с С-конца полипептидной цепи.
Активация панкреатических проферментов
Как и пепсиноген, панкреатические проферменты активируются благодаря их ограниченному протеолизу. Это тоже аутокаталитический процесс, запускаемый особым протеолитическим ферментом - энтеропептидазой, которая в активной форме вырабатывается клетками тонкого кишечника. Энтеропептидаза расщепляет в трипсиногене единственную пептидную связь, а образующийся при этом трипсин способен уже активировать не только трипсиноген, но и другие проферменты, что делает активацию лавинообразной (рис. 4.3). Вся эта тонкая и вместе с тем достаточно сложная система преследует единственную цель - избежать активации протеаз до их попадания в просвет кишечника. Если это происходит, то развивается болезнь - панкреатит. Ее причиной может быть закупорка протоков или воспалительное поражение самой поджелудочной железы. Проферменты после их синтеза в экзокринных клетках поджелудочной железы оказываются включенными в окруженные мембраной пузырьки. Под влиянием гормонов или нервной стимуляции мембраны этих пузырьков сливаются с плазматической мембраной, и их содержимое выводится из клетки. В случае попадания проферментов из пузырьков в цитоплазму начинает действовать специальный клеточный белок - ингибитор трипсина. Он образует с трипсином настолько прочный нековалентный комплекс, что ингибирование становится практически необратимым.
Рис. 4.3. Активация панкреатических протеиназ. Активные протеиназы выделены цветом
Кроме панкреатических протеиназ в тонком кишечнике присутствует аминопептидаза, относящаяся к экзопептидазам. Этот фермент осуществляет последовательное отщепление N-концевых аминокислот от пептидов, образовавшихся после частичного гидролиза белков другими протеиназами. Таким образом, в переваривании белков в кишечнике участвуют три эндопептидазы, расщепляющие пептидные связи внутри белковой молекулы, и две экзопептидазы, отщепляющие от пептидов концевые аминокислоты. Совместное действие всех этих ферментов приводит к полному расщеплению белков пищи до свободных аминокислот.
Перенос аминокислот из кишечника в кровяное русло
Чтобы попасть в кровь, аминокислоты, образующиеся в кишечнике в результате гидролиза белков, должны сначала пройти через мембрану щеточной каймы внутрь эпителиальных клеток (см. рис. 4.1), а после этого проникнуть в кровеносные капилляры ворсинок.
На первой стадии этого процесса происходит накопление аминокислот внутри клеток, которое осуществляется как симпорт аминокислот и ионов натрия (см. главу 3). На рис. 3.11 показан механизм симпорта ионов натрия и сахаров; он применим и к аминокислотам, хотя в их переносе принимают участие совсем другие транспортные белки.
Переваривание углеводов
Основные углеводы пищи - это крахмал и другие полисахариды, а также дисахариды - сахароза и лактоза. Из моносахаридов встречаются лишь глюкоза и фруктоза. Установлено, что в кишечнике всасываются только моносахариды, поэтому при переваривании пищи все углеводные компоненты должны быть расщеплены до свободных моносахаридов.
Полисахариды состоят из остатков моносахаридов, соединенных гликозидными связями. Строение глюкозы может быть описано двумя формулами.
В α-D-глюкозе гидроксильная группа у атома С-1 располагается ниже плоскости кольца, а в β-D-глюкозе - выше. Обычно в растворах обе эти формы находятся в состоянии равновесия, которое достигается последовательным размыканием и замыканием пиранового кольца (явление, называемое мутаротацией). Допустим, мы имеем две молекулы глюкозы, которые в ходе химической реакции соединяются гликозидной связью.
Гликозидная связь фиксирует атом С-1 первого остатка в определенном положении, что исключает мутаротацию. Из приведенной структуры следует, что гликозидная связь между атомами С-1 и С-4 двух остатков глюкозы находится в α-конфигурации. Образованное таким образом соединение можно записать как глюкозо- α-(1 —> 4)-глюкоза. Это - дисахарид, тривиальное название которого мальтоза. Существуют также дисахариды с β-гликозидной связью.
Переваривание крахмала
Из структуры мальтозы следует, что с помощью глюкозидных связей могут быть образованы длинные полисахаридные цепи. Такой цепью, содержащей от 100 до нескольких тысяч остатков глюкозы (глюкозильных остатков), является амилоза — основной компонент крахмала. Если мы обозначим один α-глюкозильный остаток как , то амилозу можно изобразить в виде цепи:
где n соответствует числу глюкозильных остатков.
Другой компонент крахмала - амилопектин также является полимером глюкозы. Он образует сильно разветвленные структуры и состоит из множества коротких цепей (каждая содержит около 30 остатков), образованных с помощью α-(1 —> 4)-гликозидных связей и соединенных между собой α-(1 —> 6)-гликозидными связями.
Пользуясь теми же обозначениями, что и для амилозы, строение амилопектина можно представить схематически:
Переваривание крахмала осуществляется ферментом α-амилазой, которая присутствует в слюне и в панкреатическом соке. Она атакует гликозидные связи, расположенные внутри цепи, поэтому может быть отнесена к эндоферментам. α-Амилаза не расщепляет (1 —> 6)-гликозидные связи, поэтому при действии ее на амилопектин значительная часть молекулы остается нетронутой. Такой частично переваренный амилопектин (его называют декстрином) расщепляется в тонком
кишечнике ферментом амило-α-(1 —> 6)-глюкозидазой. В результате гидролизуются (1 —> 6)-связи и образуются ди- и трисахариды. В свою очередь, они атакуются другим ферментом - α-глюкозидазой, или мальтазой, с образованием свободной глюкозы. Амилаза слюны действует на крахмал непродолжительное время, так как после проглатывания пищи она инактивируется кислым содержимым желудка. Поэтому основное переваривание крахмала происходит в тонком кишечнике. Там же расщепляются и дисахариды: лактоза и сахароза.
Лактоза-это галактозо-β-(1 —> 4)-глюкоза. Она является основным углеводом молока. Напомним, что галактоза отличается от глюкозы только оптической конфигурацией С-4-атома.
На представленной ниже структурной формуле лактозы изломы на связях не имеют определенного смысла, а лишь упрощают понимание структуры.
В кишечнике лактоза расщепляется до моносахаридов ферментом лактазой, локализованной на внешней мембране эпителиальных клеток. Так как лактоза является β-галактозидом, лактазу называют также β-галактозидазой. Многие взрослые люди, особенно выходцы из Азии, с возрастом утрачивают способность синтезировать лактазу. В результате поглощаемая ими с молоком лактоза не усваивается в тонком кишечнике, а попадая в толстую кишку, подвергается там распаду в результате действия бактерий. Это сопровождается такими неприятными явлениями, как неумеренная жажда и понос. Другой важный пищевой дисахарид - сахароза расщепляется в кишечнике на глюкозу и фруктозу с помощью фермента сахаразы.
Глюкоза поглощается эпителиальными клетками вместе с ионами натрия (рис. 4.4). Движущей силой переноса глюкозы при этом служит градиент концентрации Na+-ионов, создаваемый Na+/К+-АТРазой. Дальнейшая судьба глюкозы такова: она покидает эпителиальную клетку через мембрану, обращенную к кровеносному капилляру, и переносится кровью через воротную вену в печень. Выход глюкозы из клетки происходит в сторону уменьшения ее концентрации и представляет собой облегченную диффузию, которая обеспечивается специальным транспортным белком (см. рис. 4.4). Фруктоза, в отличие от глюкозы, поглощается клетками пассивно, без участия ионов натрия.
Рис. 4.4. Совместный транспорт глюкозы и ионов натрия при всасывании глюкозы из просвета тонкого кишечника
Глюкоза и остальные моносахариды, а также аминокислоты и другие молекулы (кроме липидов), всасывающиеся в тонком кишечнике, с помощью воротной системы кровообращения доставляются непосредственно в печень. Тем самым достигается защита организма не только от избытка первичных продуктов переваривания, которые далее перерабатываются в печени, но также и от всасываемых в кишечнике токсических соединений, которые в печени обезвреживаются.
Переваривание и всасывание жиров
Пищевые липиды представляют собой в основном нейтральные жиры, или триглицериды (см. главу 3). Они нерастворимы в воде и образуют в ней более или менее крупные капли. В таком виде они не могут быть усвоены, поскольку недоступны для ферментов.
Переваривание жиров происходит главным образом в тонком кишечнике благодаря действию панкреатического фермента-липазы, которая гидролизует в триглицеридах сложноэфирные связи, преимущественно образованные первичными гидроксильными группами глицерина.
Скорость расщепления триглицеридов ограничена их доступностью для липазы. Она увеличивается по мере уменьшения размера капелек жира и, соответственно, роста поверхности его соприкосновения с водным окружением. Эмульгированию жиров способствуют как моноглицериды и свободные жирные кислоты, образующиеся в результате расщепления триглицеридов липазой, так и соли желчных кислот. Моноглицериды, кроме того, уже достаточно растворимы в воде, чтобы свободно всасываться эпителиальными клетками. Их растворимости также способствуют желчные кислоты и их соли.
Желчные кислоты образуются в печени и накапливаются в желчном пузыре, откуда затем поступают в двенадцатиперстную кишку. Они образуются из холестерина, в молекулу которого вводятся гидроксильные и карбоксильная группы.
В желчи человека в основном преобладает холевая кислота; другие кислоты отличаются от нее числом и положением гидроксильных групп. Значительная доля холевой кислоты в желчи представлена в виде ее амидов, образованных глицином (гликохолевая кислота) или его сульфоаналогом - таурином (таурохолевая кислота). Их называют конъюгатами, или парными желчными кислотами, так как они состоят из двух компонентов - холевой кислоты и глицина или таурина.
Формула глицина в ионной форме NН+3СН2СОО-, а таурина - NН+ 3СН2СН2SO3-.
Если остаток холевой кислоты представить, как RСОO-, то строение гликохолевой и таурохолевой кислот будет RСONНСН2СОO- и RСONНСН2СН2SO3- соответственно. Оба эти конъюгата обладают меньшими рКа (3,7 и 1,5) по сравнению с холевой кислотой (5,5). Весьма вероятно, что конъюгированию способствует полная ионизация желчных кислот в кишечике.
В присутствии желчных кислот моноглицериды и жирные кислоты образуют смешанные мицеллы - дископодобные частицы, края которых заполнены молекулами желчных кислот, а более гидрофобная сердцевина образована продуктами расщепления жиров, холестерином и фосфолипидами. Мицелла по размерам гораздо меньше самой маленькой жировой капли. Концентрация продуктов распада жиров в мицеллярном растворе может быть весьма велика, но несмотря на это они сохраняют гомогенность и даже прозрачность. Нет единого мнения в отношении механизма всасывания жировых мицелл. Продукты переваривания жиров могут проникать в эпителиальные клетки либо в составе мицелл, либо эти мицеллы распадаются на клеточной поверхности, освобождая жирные кислоты и моноглицериды в виде отдельных, легко диффундирующих внутрь клеток молекул. Желчные кислоты также частично всасываются и транспортируются обратно в печень.
Что происходит с жирными кислотами и моноглицеридами внутри эпителиальных клеток щеточной каемки?
Ресинтез нейтральных липидов
Из моноглицеридов и жирных кислот в эпителиальных клетках вновь синтезируются триглицериды.
Ресинтез триглицеридов порождает проблему: как их (а заодно и холестерин) вывести из эпителиальных клеток и доставить к другим тканям организма? В эпителиальных клетках нейтральные жиры и холестерин собираются в мелкие частицы, называемые хиломикронами. Они окружены мембранной оболочкой и выводятся из клеток посредством экзоцитоза.
Что представляют собой хиломикроны?
Хиломикроны - сферические частицы, сердцевина которых заполнена гидрофобными молекулами нейтральных жиров и эфиров холестерина (рис. 4.5).
Рис. 4.5. Строение хиломикрона
Последние отличаются от холестерина тем, что в них гидроксильная группа этерифицирована жирными кислотами.
Такая модификация обеспечивает упаковку холестерина в гидрофобную внутреннюю часть хиломикрона. Поверхность хиломикрона формируется молекулами фосфолипидов, холестерина и особыми белками.
Таких белков известно несколько. Главным и необходимым для образования хиломикрона является гликопротеин аполипопротеин В. Приставка ano- означает, что этот белок в его естественном состоянии является компонентом липопротеина. В данном случае таким липопротеином служит хиломикрон. Гидрофильная оболочка стабилизирует хиломикроны настолько, что они разносятся кровью и лимфой по организму как целые частицы. Более чем на 90% они состоят из жиров, благодаря чему отличаются малой плотностью.
В отличие от моносахаридов и аминокислот, хиломикроны попадают из эпителиальных клеток не в кровь, а в лимфатические капилляры, также пронизывающие клеточные ворсинки. Здесь полезно рассказать немного о лимфе. Когда кровь проходит по капиллярам, происходит фильтрация прозрачной лимфатической жидкости, содержащей белки, электролиты и другие вещества, в тканевую (интерстициальную) жидкость. Все ткани пронизаны сетью лимфатических капилляров, которые своими окончаниями собирают лимфу из межклеточного пространства. Система лимфатических капилляров и сосудов завершается грудным протоком, через который лимфа поступает в вены шеи. Благодаря высокому содержанию хиломикронов после смешивания с лимфой кровь мутнеет и начинает опалесцировать.
Переваривание других компонентов пищи
Пищеварение - это процесс ферментативного гидролитического расщепления, и ему подвергаются почти все компоненты пищи. Так, фосфолипиды пищи расщепляются фосфолипазами, а нуклеиновые кислоты - нуклеазами. Растительная пища содержит целлюлозу - полисахарид, который не поддается пищеварительным ферментам животных. Однако травоядные животные все же могут использовать целлюлозу благодаря тому, что ее расщепляют обитающие в их пищеварительном тракте микроорганизмы. Для человека целлюлоза в пище - всего лишь волокнистый наполнитель, полезный для нормальной работы кишечника.
Вопросы к главе 4
1. Какие пищеварительные ферменты синтезируются в виде неактивных предшественников?
2. Для чего это нужно? Почему амилаза синтезируется сразу в активной форме? Почему активные ферменты не действуют на стенки тонкого кишечника?
3. Как происходит активация проферментов в тонком кишечнике?
4. Какими последствиями для организма чревата преждевременная активация панкреатических проферментов?
5. Почему нужно переваривать пищу?
6. Сахара и многие аминокислоты транспортируются в эпителиальные клетки против своего концентрационного градиента, однако при этом не используются специальные транспортные системы, АТР или другие макроэргические фосфаты. Как объяснить это внешне парадоксальное явление?
7. Отчего многие люди, особенно выходцы из Азии, плохо переносят молоко и молочные продукты?
8. Что представляют собой нейтральные жиры?
9. Пищевые жиры нерастворимы в воде. Как при этом с ними справляются пищеварительные ферменты?
10. Аминокислоты и сахара, поглощенные в тонком кишечнике, далее переносятся кровотоком в печень. Какова судьба продуктов расщепления жиров?