Биохимия человека Том 1 - Марри Р. 1993
Биоэнергетика и метаболизм углеводов и липидов
Промежуточный обмен
Локализация метаболических путей
Как показано на рис. 2.3, метаболические пути можно исследовать на разных уровнях организации, которые удобно разделить на две главные группы: 1) на уровне органов и тканей — в этом случае можно следить за поступающими в ткань субстратами и уходящими из нее метаболитами и описать ход их превращений; 2) на субклеточном уровне — каждая клеточная органелла (например, митохондрия), каждый компартмент (например, цитозоль) выполняют специфическую биохимическую роль в рамках общей системы внутриклеточного метаболизма.
Промежуточный метаболизм на уровне тканей и органов
Аминокислоты, образовавшиеся после переваривания белков, и глюкоза, образовавшаяся в результате переваривания углеводов, после всасывания поступают в печеночную воротную вену. Следовательно, эти метаболиты вместе с другими водорастворимыми продуктами пищеварения сначала поступают в печень (рис. 16.5). Печень выполняет важную метаболическую функцию — регулирует концентрации большинства содержащихся в крови метаболитов, в первую очередь глюкозы и аминокислот. Например, глюкоза при избыточном поступлении либо превращается в гликоген (гликогенез), либо используется для синтеза жиров (липогенез). В промежутках между приемами пищи печень поддерживает концентрацию глюкозы в крови на физиологическом уровне за счет запасов гликогена (гликогенолиз) или же (вместе с почками) путем превращения в глюкозу неуглеводных метаболитов, таких, как лактат, глицерол и аминокислоты (глюконеогенез). Поддержание в крови адекватной концентрации глюкозы жизненно важно для ряда тканей, использующих в качестве топлива исключительно этот моносахарид (мозг, эритроциты). В печени осуществляются также синтез главных белков плазмы (например, альбумина) и дезаминирование аминокислот, присутствующих в избыточном количестве; образующаяся при этом мочевина переносится током крови в почки и экскретируется.
Скелетная мышца использует в качестве топлива глюкозу, превращая ее в лактат и СО2. Запасаемый мышцей гликоген используется как топливо в процессе мышечного сокращения. В мышце осуществляется синтез мышечных белков из аминокислот плазмы. На долю мышечной ткани приходится около 50% всей массы организма; таким образом, она содержит значительный запас белка, который может быть использован для пополнения аминокислот плазмы крови, особенно в те периоды, когда их недостаточно в пищевом рационе.
Рис. 16.5. Транспорт и дальнейшая судьба главных углеводов и аминокислот и их метаболитов. Следует учитывать, что содержание в мышце свободной глюкозы невелико, поскольку, попадая в мышцу, она быстро фосфорилируется.
Рис. 16.6. Транспорт и дальнейшая судьба главных липидных субстра гов и их метаболитов. СЖК — свободная жирная кислота; ЛПЛ — липопротеинлипаза; МГ — моноацилглицерол; ТГ — триацилглицерол; ЛПОНП — липопротеин очень низкой плотности.
Рис. 16.7. Внутриклеточная локализация и интеграция главных метаболических путей в паренхиматозной клетке печени. АК → метаболизм одной или нескольких незаменимых аминокислот; АК → метаболизм одной или нескольких заменимых аминокислот.
Липиды (рис. 16.6) при переваривании образуют моноацилглицеролы и жирные кислоты. В клетках кишечника они ассоциируются с белками и секретируются сначала в лимфатическую систему, а затем в систему кровообращения, в которой циркулируют в виде липопротеина, известного под названием хиломикрон. Все гидрофобные липидрастворимые продукты пищеварения (в частности, холестерол) включаются в состав липопротеинов, что облегчает их транспортировку от одной ткани к другой в водной среде — плазме. В отличие от глюкозы и аминокислот триацилглицеролы в составе хиломикрона не захватываются печенью, они гидролизуются во внепеченочных тканях ферментом липопротеинлипазой; освобождающиеся жирные кислоты либо включаются в состав тканевых липидов, либо окисляются и используются как топливо. Другим важным источником длинноцепочечных жирных кислот является их синтез (липогенез) из углеводов, идущий главным образом в жировой ткани и в печени.
Триацилглицерол жировой ткани служит главным топливным резервом организма. После его гидролиза (липолиза) жирные кислоты освобождаются и поступают в систему кровообращения. Свободные жирные кислоты далее поглощаются большинством тканей (за исключением мозга и эритроцитов), где они либо эстерифицируются, образуя ацилглицеролы, либо окисляются до СО2, выполняя роль топлива. В печени имеются еще два важных метаболических пути: 1. Избыток триацилглицеролов, образующихся либо из жирных кислот, либо путем липогенеза, секретируется в систему кровообращения в виде липопротеинов очень низкой плотности (ЛПОНП). Далее эти триацилглицеролы разделяют судьбу хиломикронов. 2. Частичное окисление жирных кислот ведет к образованию кетоновых тел (кетогенез). Кетоновые тела транспортируются из печени во внепеченочные ткани, где они служат еще одним важным топливным ресурсом.
Промежуточный метаболизм на субклеточном уровне
Основные биохимические функции субклеточных компонентов и клеточных органелл приведены в табл. 2.4. Однако большинство клеток выполняют специализированные функции, в связи с чем важное значение приобретают определенные метаболические пути, тогда как другие практически не используются. На рис. 16.7 представлены основные метаболические пути и их взаимосвязь в паренхиматозных клетках печени с указанием их внутриклеточной локализации.
Сразу становится очевидной центральная роль митохондрий, в которых пересекаются процессы метаболизма углеводов, липидов и аминокислот. В митохондриях, в частности, локализованы ферменты цикла лимонной кислоты, дыхательной цепи и синтеза АТР, ß-окисления жирных кислот и образования кетоновых тел. Здесь же находится «сборный пункт» кетокислот (после дезаминирования аминокислот), которые используются далее для синтеза заменимых аминокислот.
Гликолиз, пентозофосфатный путь и синтез жирных кислот осуществляется в цитозоле. Следует отметить, что при глюконеогенезе даже такие вещества, как лактат и пируват, которые образуются в цитозоле, должны поступать внутрь митохондрии и превращаться в оксалоацетат; из последнего образуется глюкоза.
Мембраны эндоплазматического ретикулума содержат ферментную систему синтеза ацилглицеролов, а рибосомы ответственны за синтез белков.
Следует отметить, что транспорт метаболитов, различающихся по размерам, заряду и растворимости в липидах мембран, окружающих органеллы, связан с работой весьма сложных механизмов. Некоторые из них обсуждались, когда речь шла о митохондриальной мембране (см. гл. 13); другие механизмы будут рассмотрены в последующих главах.