--PAGE_BREAK--1.1.1 Углеводный обмен в печени и его регуляция
Моносахариды (в частности глюкоза) поступают в печень по воротной вене и подвергаются различным преобразованиям. Например, при избыточном поступлении глюкозы из кишечника она депонируется в виде гликогена, так же глюкоза производится печенью в ходе гликогенолиза и глюконеогенеза, поступает в кровь и расходуется большинством тканей. Регуляция углеводного обмена осуществляется благодаря тому, что печень является практически единственным органом, который поддерживает постоянный уровень глюкозы в крови даже в условиях голодания.
Судьба моносахаридов различна в зависимости от природы, их содержания в общем кровотоке, потребностей организма. Часть их отправится в печёночную вену, чтобы поддержать гомеостаз, в первую очередь, глюкозы крови и обеспечить нужды органов. Концентрация глюкозы в крови определяется балансом скоростей ее поступления, с одной стороны, и потребления тканями с другой. В постабсорбтивном состоянии (постабсорбтивное состояние развивается через 1,5—2 часа после приема пищи, так же называется истинным или метаболическим насыщением [1]. Типичным постабсорбтивным состоянием считают состояние утром до завтрака, после примерно десятичасового ночного перерыва в приеме пищи) и в норме концентрация глюкозы в крови равна 60-100 мг/дл (3,3-5,5 моль\л). А остальную часть моносахаридов (в основном глюкозы) печень использует для собственных нужд.
В гепатоцитах интенсивно протекает метаболизм глюкозы. Поступившая с пищей глюкоза только в печени с помощью специфических ферментных систем преобразуются в глюкозо-6-фосфат (лишь в такой форме глюкоза используется клетками) [6]. Фосфорилирование свободных моносахаридов – обязательная реакция на пути их использования, она приводит к образованию более реакционно-способных соединений и поэтому может рассматриваться как реакция активации.Галактоза и фруктоза, поступающие из кишечного тракта, при участии соответственно галактокиназы и фруктокиназы фосфорилируются по первому углеродному атому:
Глюкоза, поступающая в клетки печени, так же подвергается фосфорилированию с использованием АТФ. Эту реакцию катализирует ферменты гексокиназа и глюкокиназа.
печень патология диагностика заболевание
Гексокиназа обладает высоким сродством к глюкозе (Км
Наряду с другими механизмами это предотвращает черезмерное повышение концентрации глюкозы в периферической крови при пищеварении [7].
Образование глюкозо-6-фосфата в клетке – своеобразная «ловушка» для глюкозы, так как мембрана клетки непроницаема для фосфорилированной глюкозы (нет соответствующих транспортных белков). Кроме того, фосфорилирование уменьшает концентрацию свободной глюкозы в цитоплазме. В результате создаются благоприятные условия для облегченной диффузии глюкозы в клетки печени из крови.
Возможна и обратная реакция превращения глюкозо-6-фосфат в глюкозу при действии глюкозо-6-фосфатазы, которая катализирует отщепление фосфатной группы гидролитическим путем.
Образовавшаяся свободная глюкоза способна диффундировать из печени в кровь. В других органах и тканях (кроме почек и клеток кишечного эпителия) глюкозо-6-фосфатазы нет, и поэтому там проходит только фосфорилирование, без обратной реакции, и выход глюкозы из этих клеток невозможен [3].
Глюкозо-6-фосфат может превратиться в глюкозо-1-фосфат при участии фосфоглюкомутазы, которая катализирует обратимую реакцию.
Так же глюкозо-6-фосфат может использоваться в различных превращениях, основными из которых являются: синтез гликогена, катаболизм с образованием СО2 и Н2О или лактата, синтез пентоз. Вместе с тем в процессе метаболизма глюкозо-6-фосфата образуются промежуточные продукты, используемые в дальнейшем для синтеза аминокислот, нуклеотидов, глицерина и жирных кислот. Таким образом, глюкозо-6-фосфат – не только субстрат для окисления, но и строительный материал для синтеза новых соединений (приложение 1).
Итак, рассмотрим окисление глюкозы и глюкозо-6-фосфата в печени. Этот процесс идет двумя путями: дихотомическим и апотомическим. Дихотомический путь это гликолиз, который включает «анаэробный гликолиз», завершающийся образованием молочной кислоты (лактата) или этанола и СО2 и «аэробный гликолиз» – распад глюкозы, проходящий через образование глюкозо-6-фосфата, фруктозобисфосфата и пирувата как в отсутствие так и в присутствие кислорода (аэробный метаболизм пирувата выходит за рамки углеводного обмена, однако может рассматриваться как завершающая его стадия: окисление продукта гликолиза – пирувата).
Апотомический путь окисления глюкозы или пентозный цикл заключается в образовании пентоз и возвращению пентоз в гексозы в результате распадается одна молекула глюкозы и образуется СО2 .
Гликолиз в анаэробных условиях— сложный ферментативный процесс распада глюкозы, протекающий без потребления кислорода. Конечным продуктом гликолиза является молочная кислота. В процессе гликолиза образуется АТФ.
Процесс гликолиза протекает в гиалоплазме (цитозоле) клетки и условно делится на одиннадцать этапов, которые соответственно катализируют одиннадцать ферментов:
1. Фосфорилирование глюкозы и образование глюкозо-6-фосфата – перенос остатка ортофосфата на глюкозу за счет энергии АТФ. Катализатором является гексокиназа. Этот процесс был рассмотрен выше.
2. Превращение глюкозо-6-фосфата под действием фермента глюкозо-6-фосфат-изомеразы во фруктозо-6-фосфат:
3. Фруктозо-6-фосфат вновь фосфорилируется за счет второй молекулы АТФ, реакция катализируется фосфофруктокиназой:
Реакция необратима, протекает в присутствии ионов магния и является наиболее медленно текущей реакцией гликолиза.
4. Под влиянием фермента альдолазы фруктозо-1,6-бифосфат расщепляется на две фосфотриозы:
5. Реакция изомеризации триозофосфатов. Катализируеися ферментом триозофосфатизомеразой:
6. Глицеральдегид-3-фосфат в присутствии фермента глицеральдегидфосфатдегидрогеназы, кофермента НАД и неорганического фосфата продвергается своеобразному окислению с образованием 1,3-бифосфоглицериновой кислоты и восстановленой формы НАД – НАД*Н2:
7. Реакция катализируется фосфоглицераткиназой, происходит передача фосфатной группы в положении 1 на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицериновой кислоты (3-фосфоглицерат):
8. Внутримолекулярный перенос оставшейся фосфатной группы, и 3-фосфоглицериновая кислота превращается в 2-фосфорлицериновую кислоту (2-фосфоглицерат):
Реакция легкообратима и протекает в присутствии ионов магния.
9. Реакция катализируется ферментом енолазой, 2-фосфоглицериновая кислота в результате отщепления молекулы воды переходит в фосфоенолпировиноградную кислоту (фосфоенолпируват), а фосфатная связь в положении 2 становится макроэргической:
10. Разрыв макроэргической связи и перенос фосфатного остатка от фосфоенолпирувата на АДФ. Кртализируется ферментом пируваткиназой:
11. Восстановление пировиноградной кислоты и образование молочной кислоты (лактата). Реакция протекает при участии фермента лактатдегидрогеназы и кофермента НАД*Н2, образовавшегося в шестой ркакции:
Гликолиз в аэробных условиях.В этом процессе можно выделить три части:
1. специфические для глюкозы превращения, завершающиеся образованием пирувата (аэробный гликолиз);
2. общий путь катаболизма (окислительное декарбоксилирование пирувата и цитратный цикл);
3. митохондриальная цепь переноса электронов.
В результате этих процессов глюкоза в печени распадается до С02 и Н20, а освобождающаяся энергия используется для синтеза АТФ (приложение 2).
К обмену углеводов в печени относятся только специфические для глюкозы превращения, где происходит распад глюкозы до пирувата, который можно разделить на два этапа:
1. От глюкозы до глицеральдегидфосфата. В реакциях происходит включение фосфатных остатков в гексозы и превращение гексозы в триозу (приложение 3). Реакции этого этапа катализируют следующие ферменты: гексокиназа или глюкокиназа (1); фосфоглюкоизомераза (2); фосфофруктокиназа (3); альдолаза фруктозо-1,6-бисфосфата (4); фосфотриозоизомераза (5)
2. От глицеральдегидфосфата до пирувата. Это реакции, связанные с синтезом АТФ. Этап завершается превращением каждой молекулы глюкозы в две молекулы глицеральдегидфосфата (приложение 4). В реакциях участвуют пять ферментов: дегидрогеназа глицеральдегидфосфата (6); фосфоглицераткиназа (7); фосфоглицеромутаза (8); енолаза (9); пируваткиназа (10).
Пентозофосфатный (фосфоглюконатный) путьпревращения глюкозы обеспечивает клетку гидрированным НАДФ для восстановительных синтезов и пентозами для синтеза нуклеотидов. В пентозофосфатном пути можно выделить две части — окислительный и неокислительный пути.
1. Окислительный путь включает две реакции дегидрирования, где акцептором водорода служит НАДФ (приложение 5). Во второй реакции одновременно происходит декарбоксилирование, углеродная цепь укорачивается на один атом углерода и получаются пентозы.
2. Неокислительный путь значительно сложнее. Здесь нет реакций дегидрирования, он может служить только для полного распада пентоз (до С02 и Н20) или для превращения пентоз в глюкозу (приложение 6). Исходными веществами являются пять молекул фруктозо-6-фосфата, в сумме содержащие 30 углеродных атомов, конечный продукт реакции — шесть молекул рибозо-5-фосфата, в сумме также содержащие 30 углеродных атомов.
Окислительный путь образования пентоз и путь возращения пентоз в гексозы вместе составляют циклический процесс:
В этом цикле за один оборот полностью распадается одна молекула глюкозы, все шесть углеродных атомов которой превращаются в С02 [7].
Так же в печени идет обратный гликолизу процесс – глюконеогенез. Глюконеогенез — процесс синтеза глюкозы из веществ неуглеводной природы. Его основной функцией является поддержание уровня глюкозы в крови в период длительного голодания и интенсивных физических нагрузок. Глюконеогенез обеспечивает синтез 80-100 г глюкозы в сутки. Первичные субстраты глюконеогенеза — лактат, аминокислоты и глицерол. Включение этих субстратов в глюконеогенез зависит от физиологического состояния организма. Лактат — продукт анаэробного гликолиза. Он образуется при любых состояниях организма в эритроцитах и работающих мышцах. Таким образом, лактат используется в глюконеогенезе постоянно. Глицерол высвобождается при гидролизе жиров в жировой ткани в период голодания или при длительной физической нагрузке. Аминокислоты образуются в результате распада мышечных белков и включаются в глюконеогенез при длительном голодании или продолжительной мышечной работе. Необходимо отметить, что гликолиз протекает в цитозоле, а часть реакций глюконеогенеза происходит в митохондриях [3].
Глюконеогенез в основном протекает по тому же пути, что и гликолиз, но в обратном направлении (приложение 7). Однако три реакции гликолиза необратимы, и на этих стадиях реакции глюконеогенеза отличаются от реакций гликолиза.
Превращение пирувата в фосфоенолпируват (необратимая стадия I) осуществляется при участии двух ферментов: пируваткарбоксилазы и карбоксикиназы фосфоенолпирувата:
Две другие необратимые стадии катализируются фосфатазой фруктозо-1,6-бисфосфата и фосфатазой глюкозо-6-фосфата:
Каждая из необратимых реакций гликолиза вместе с соответствующей ей реакцией глюконеогенеза образует субстратный цикл (приложение 7, реакции 1, 2, 3).
Синтез глюкозы (глюконеогенез из аминокислот и глицерина). Глюкоза в печени может синтезироваться из аминокислот и глицерина. При катаболизме аминокислот в качестве промежуточных продуктов образуются пируват или оксалоацетат, которые могут включаться в путь глюконеогенеза на стадии первого субстратного цикла (приложение 7, реакция 1). Глицерин образуется при гидролизе жиров и может превращаться в глюкозу (приложение 8). Аминокислоты и глицерин используются для синтеза глюкозы главным образом при голодании или при низком содержании углеводов в рационе (углеводное голодание).
Глюконеогенез может так же происходить из лактата. Молочная кислота не является конечным продуктом обмена, но ее образование — это тупиковый путь метаболизма: единственный способ использования молочной кислоты связан с ее превращением вновь в пируват при участиитой же лактатдегидрогеназы:
Из клеток, в которых происходит гликолиз, образующаяся молочная кислота поступает в кровь и улавливается в основном печенью, где и превращается в пируват. Пируват в печени частично окисляется, частично превращается в глюкозу — цикл Кори, или глюкозолактатпый цикл:
В организме взрослого человека за сутки может синтезироваться около 80 г глюкозы, главным образом в печени. Биологическое значение глюконеогенеза заключается не только в возвращении лактата в метаболический фонд углеводов, но и в обеспечении глюкозой мозга при недостатке углеводов в организме, например, при углеводном или полном голодании [2].
Синтез гликогена (гликогенез). Как уже говорилось выше, часть глюкозы поступившей в печень используется в синтезе гликогена. Гликоген — разветвленный гомополимер глюкозы, в котором остатки глюкозы соединены в линейных участках a-1,4-гликозидной связью. В точках ветвления мономеры соединены a-1,6-гликозидными связями. Эти связи образуются примерно с каждым десятым остатком глюкозы. Так возникает древообразная структура с молекулярной массой >107Д, что соответствует приблизительно 50 000 остатков глюкозы (приложение 9). При полимеризации глюкозы снижается растворимость образующейся молекулы гликогена и, следовательно, ее влияние на осмотическое давление в клетке. Это обстоятельство объясняет, почему в клетке депонируется гликоген, а не свободная глюкоза.
Гликоген хранится в цитозоле клетки в форме гранул диаметром 10—40 нм. После приёма пищи, богатой углеводами, запас гликогена в печени может составлять примерно 5% от её массы.
Распад гликогена печени служит в основном дляподдержания уровня глюкозы в крови в постабсорбтивном периоде. Поэтому содержание гликогена в печени изменяется в зависимости от ритма питания. При длительном голодании оно снижается почти до нуля.
Гликоген синтезируется в период пищеварения (через 1—2 ч после приёма углеводной пищи). Синтез гликогена из глюкозы требует затрат энергии.
Прежде всего глюкоза подвергается фосфорилированию при участии фермента гексокиназы и глюкокиназы. Далее глюкозо-6-фосфат под влиянием фермента фосфоглюкомутазы переходит в глюкозо-1-фосфат.
Образовавшийся глюкозо-1-фосфат уже непосредственно вовлекается в синтез гликогена.
На первой стадии синтеза глюкозо-1-фосфат вступает во взаимодействие с УТФ (уридинтрифосфат), образуя уридиндифосфатглюкозу (УДФ-глюкоза) и пирофосфат. Данная реакция катализируется ферментом глюкозо-1-фосфат-уридилилтрансферазой (УДФГ-пирофосфорилаза) (приложение 10).
На второй стадии — стадии образования гликогена — происходит перенос глюкозного остатка, входящего в состав УДФ-глюкозы, на глюкозидную цепь гликогена («затравочное» количество) (приложение 11). При этом образуется б-1,4-гликозидная связь между первым атомом углерода добавляемого остатка глюкозы и 4-гидроксильной группой остатка глюкозы цепи. Эта реакция катализируется ферментом гликогенсинтазой. Образующийся УДФ затем вновь фосфорилируется в УТФ за счет АТФ, и таким образом весь цикл превращений глюкозо-1-фосфата начинается сначала.
Установлено, что гликогенсинтаза неспособна катализировать образование б-1,6-гликозидную связь, имеющуюся в точках ветвления гликогена. Этот процесс катализирует специальный фермент, получивший название гликогенветвящего фермента, или амило-1,4-1,6-трансглюкозидазы. Последний катализирует перенос концевого олигосахаридного фрагмента, состоящего из 6 или 7 остатков глюкозы, с нередуцирующего конца одной из боковых цепей, насчитывающей не менее 11 остатков, на 6-гидроксиль-ную группу остатка глюкозы той же или другой цепи гликогена. В результате образуется новая боковая цепь. Ветвление увеличивает скорость синтеза и расщепления гликогена [2].
Распад гликогенаили его мобилизация происходят в ответ на повышение потребности организма в глюкозе. Гликоген печени распадается в основном в интервалах между приёмами пищи, распад ускоряется во время физической работы. Распад гликогена происходит при участии двух ферментов: гликогенфосфорилазы и фермента с двойной специфичностью — 4:4-трансферазы-б-1,6-гликозидазы. Гликогенфосфорилаза катализирует фосфоролиз 1,4-гликозидной связи нередуцирующих концов гликогена, глюкозные остатки отщепляются один за другим в форме глюкозо-1-фосфата (приложение 12). При этом гликогенфосфорилаза не можетотщеплять глюкозные остатки от коротких ветвей, содержащих менее пяти глюкозных остатков; такие ветви удаляются 4:4-трансферазой-б-1,6-гликозидазой. Этот фермент катализирует перенос фрагмента из трех остатков короткой ветви на концевой глюкозный остаток более длинной ветви; кроме того, он гидролизует 1,6-гликозидную связь и таким образом удаляет последний остаток ветви (приложение 13).
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 гликогенолизаосуществляется 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 Кмглюкокиназы, 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 кислотскладывается 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-KoAи 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.
Внемитохондриальнаясистема 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
продолжение
--PAGE_BREAK--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 общиепути обмена аминокислот. Общие пути превращения аминокислот в печени включают реакции дезаминирования, трансаминирования, декарбоксилирования и биосинтез аминокислот.
Дезаминированиеаминокислот. 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.
Трансаминированиеаминокислот. 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:
Декарбоксилированиеаминокислот. 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 служитисточником 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:
Аспарагин синтезируется из аспарагиновой кислоты и глутамина, который служит донором амидной группы; реакцию катализирует аспарагинсинтетаза пролин образуется из глутаминовой кислоты. Гистидин (частично заменимая аминокислота) синтезируется из АТФ и рибозы: пуриновая часть АТФ поставляет фрагмент —N=CH—NH— для имидазольного цикла гистидина; остальная часть молекулы образуется за счет рибозы.
Если в пище нет заменимой аминокислоты, клетки синтезируют ее из других веществ, и тем самым поддерживается полный набор аминокислот, необходимый для синтеза белков. Если же отсутствует хотя бы одна из незаменимых аминокислот, то прекращается синтез белков. Это объясняется тем, что в состав подавляющего большинства белков входят все 20 аминокислот; следовательно, если нет хотя бы одной из них, синтез белков невозможен.
Частично заменимые аминокислоты синтезируются в организме, однако скорость их синтеза недостаточна для обеспечения всей потребности организма в этих аминокислотах, особенно у детей. Условно заменимые аминокислоты могут синтезироваться из незаменимых: цистеин — из метионина, тирозин — из фенилаланина. Иначе говоря, цистеин и тирозин — это заменимые аминокислоты при условии достаточного поступления с пищей метионина и фенилаланина [5].
продолжение
--PAGE_BREAK--1.1.4 Участие печени в обмене витаминов
Участие печени в обмене витаминов складывается из процессов депонирования всех жирорастворимых витаминов: А, Д, Е, К, F(секреция желчи так же обеспечивает всасывание этих витаминов) и многих из гидровитаминов (В12, фолиевая кислота, В1, В6, РР и др.), синтеза некоторых витаминов (никотиновая кислота) и коферментов.
Особая печени заключается в том, что в ней происходит активация витаминов:
7. Фолиевая кислота с помощью витамина С восстанавливается в тетрагидрофолиевую кислоту (ТГФК) [8]; Восстановление сводится к разрыву двух двойных связей и присоединению четырех водородных атомов в положениях 5, 6, 7 и 8 с образованием тетрагидрофолиевой кислоты (ТГФК). Оно протекает в 2 стадии тканях при участии специфических ферментов, содержащих восстановленный НАДФ. Сначала при действии фолатредуктазы образуется дигидрофолиевая кислота (ДГФК), которая при участии второго фермента – дигидрофолатредуктазы – восстанавливается в ТГФК:
8. Витамины В1 и В6 фосфорилируются в тиаминдифосфат и пиридоксальфосфат соответственно [8].Витамин В6 (пиридоксин) производный 3-оксипиридина. Термином витамин В6 обозначают все три производных 3-оксипиридина, обладающих одинаковой витаминной активностью: пиридоксин (пиридоксол), пиридоксаль и пиридоксамин:
Хотя все три производных 3-оксипиридина наделены витаминными свойствами, коферментные функции выполняют только фосфорилированные производные пиридоксаля и пиридоксамина. Фосфорилирование пиридоксаля и пиридоксамина является ферментативной реакцией, протекающей при участии специфических киназ. Синтез пиридоксальфосфата, например, катализирует пиридоксалькиназа:
Витамин В1(тиамин). В химическойструктуре его содержатся два кольца – пиримидиновое и тиазоловое, соединенных метиленовой связью. Обе кольцевые системы синтезируются отдельно в виде фосфорилированных форм, затем объединяются через четвертичный атом азота.
В превращении витамина B1 в его активную форму – тиаминпирофосфат (ТПФ), называемый также тиаминдифосфатом (ТДФ), участвует специфический АТФ-зависимый фермент тиаминпирофосфокиназа.
9. Часть каротинов преобразуется в витамин А под влиянием каротиндиоксигеназы. Каротины являются провитаминами для витамина А. Известны 3 типа каротинов: б-, в- и г-каротины, отличающиеся друг от друга химическим строением и биологической активностью. Наибольшей биологической активностью обладает в-каротин, поскольку он содержит два в-иононовых кольца и при распаде в организме из него образуются две молекулы витамина А:
При окислительном распаде б- и г-каротинов образуется только по одной молекуле витамина А, поскольку эти провитамины содержат по одному в-иононовому кольцу.
4. Витамин Д подвергается первому гидроксилированию на пути получения гормона кальцитриола; в печени осуществляется гидроксилирование в 25-м положении. Ферменты, катализирующие эти реакции, называются гидроксилазами, или монооксигеназами. В реакциях гидроксилирования используется молекулярный кислород.
5. Окислившийся витамин С восстанавливается в аскорбиновую кислоту;
6. Витамины РР, В2, пантотеновая кислота включаются в соответствующие нуклеотиды (НАД+, НАД+Ф, ФМН, ФАД, КоА-SH);
7. Витамин К окисляется, чтобы в виде своего пероксида служить коферментом в созревании (посттрансляционной модификации) белковых факторов свёртывания крови.
В печени синтезируются белки, выполняющие транспортные функции по отношению к витаминам. Например, ретинолсвязывающий белок (его содержание уменьшается при опухолях), витамин Е-связывающий белок и т.д. Часть витаминов, в первую очередь жирорастворимых, а также продуктов их преобразований выделяется из организма в составе жёлчи.
1.1.5 Участие печени в водно-минеральном обмене
Участие печени в водно-минеральном обмене состоит в том, что она дополняет деятельность почек в поддержании водно-солевого равновесия и является как бы внутренним фильтром, организма. Печень задерживает ионы Na+, К+, Сl-, Ca2+и воду и выделяет их в кровь. Кроме того, печень депонирует макро- (К, Na, Ca, Mg, Fe) и микро- (Cu, Mn, Zn, Cо, As, Cd, Pb, Se) элементы и участвует в их распределении по другим тканям с помощью транспортных белков.
Для накопления железа гепатоциты синтезируют специальный белок – ферритин. В ретикулоэндотелиоцитах печени и селезенки регистрируется водонерастворимый железосодержащий протеиновый комплекс – гемосидерин.В гепатоцитах синтезируется церулоплазмин, который, кроме вышеназванных функций, выполняет роль транспортного белка для ионов меди. Трансферрин, обладающий как и церулоплазмин, полифункциональностью, также образуется в печени и используется для переноса в плазме крови только ионов железа. Данный белок необходим для эмбрионального клеточного роста в период формирования печени. В печени ион Znвключается в алкогольдегидрогеназу, необходимую для биотрансформации этанола. Поступившие в гепатоциты соединения селена преобразуются в Se-содержащие аминокислоты и с помощью специфической т-РНК включаются в различные Se-протеины: глутатионпероксидазу (ГПО), 1-йодтиронин-5’-дейодиназу, Se-протеин Р.Последний считают основным транспортёром этого микроэлемента. Дейодиназа, обнаруженная не только в печени, обеспечивает конверсию прогормона тироксина в активную форму – трийодтиронин. Как известно, глутатионпероксидаза – ключевой фермент антирадикальной защиты. В печени сера, включённая в аминокислоты, окисляется до сульфатов, которые в виде ФАФС (фосфоаденозилфосфосульфатов) используются в реакциях сульфирования ГАГов, липидов, а также в процессах биотрансформации ксенобиотиков и некоторых эндогенных веществ (примеры продуктов инактивации – скатоксилсульфат, индоксилсульфат). Печень способна служить временным депо воды, особенно при отёках (количество Н2О может составлять до 80 % от массы органа) [6].
продолжение
--PAGE_BREAK--1.1.6 Участие печени в пигментном обмене
Участие печени в обмене пигментов проявляется в превращении хромопротеидов до билирубина в клеткахРЭС, имеющихся в печени, конъюгации билирубина в самих печеночных клетках и разложении в них всасывающегося из кишечника уробилиногена до непигментных продуктов.
Гемохромогенные пигменты, образуются в организме при распаде гемоглобина (в значительно меньшей степени при распаде миоглобина, цитохромов и др.).
Начальным этапом распада гемоглобина (в клетках макрофагов, в частности в звездчатых ретикулоэндотелиоцитах, а также в гистиоцитах соединительной ткани любого органа) является разрыв одного метинового мостика с образованием вердоглобина. В дальнейшем от молекулы вердоглобина отщепляются атом железа и белок глобин. В результате образуется биливердин, который представляет собой цепочку из четырех пиррольных колец, связанных метановыми мостиками. Затем биливердин, восстанавливаясь, превращается в билирубин – пигмент, выделяемый с желчью и поэтому называемый желчным пигментом. Образовавшийся билирубин называется непрямым (неконъюгированным) билирубином. Он нерастворим в воде, дает непрямую реакцию с диазореактивом, т.е. реакция протекает только после предварительной обработки спиртом. В печени билирубин соединяется (конъюгирует) с глюкуроновой кислотой. Эта реакция катализируется ферментом УДФ-глюкуронилтрансферазой, при этом глюкуроновая кислота вступает в реакцию в активной форме, т.е. в виде УДФГК. Образующийся глюкуронид билирубина получил название прямого билирубина (конъюгированный билирубин). Он растворим в воде и дает прямую реакцию с диазореактивом. Большая часть билирубина соединяется с двумя молекулами глюкуроновой кислоты, образуя диглюкуронид билирубина. Образовавшийся в печени прямой билирубин вместе с очень небольшой частью непрямого билирубина выводится с желчью в тонкую кишку. Здесь от прямого билирубина отщепляется глюкуроновая кислота и происходит его восстановление с последовательным образованием мезобилирубина и мезобилиногена (уробилиногена). Из тонкой кишки часть образовавшегося мезобилиногена (уробилиногена) резорбируется через кишечную стенку, попадает в воротную вену и током крови переносится в печень, где расщепляется полностью до ди- и трипирролов. Таким образом, в норме в общий круг кровообращения и мочу мезобилиноген не попадает. Основное количество мезобилиногена из тонкой кишки поступает в толстую и здесь восстанавливается до стеркобилиногена при участии анаэробной микрофлоры. Образовавшийся стеркобилиноген в нижних отделах толстой кишки (в основном в прямой кишке) окисляется до стеркобилина и выделяется с калом. Лишь небольшая часть стеркобилиногена всасывается в систему нижней полой вены (попадает сначала в геморроидальные вены) и в дальнейшем выводится с мочой (приложение 18).
1.2 Мочевинообразовательная функция
Печень — единственный орган, имеющий все ферменты цикла образования мочевины из аммиака. Аммиак, образующийся в других тканях, в печени превращается в индифферентный продукт— мочевину, которая выделяется в кровь. При интенсивном катаболизме белков и небелковых азотистых соединений (аминокислот, пуринов, пиримидинов, биогенных аминов) повышено образование мочевины в печени, ее содержание в крови и выделение с мочой.
Биосинтез мочевины(орнитиновыйцикл мочевинообразования) является основным механизмом обезвреживания аммиака в организме(приложение 19). На долю мочевины приходится до 80–85% от всего азота мочи. Впервые Г. Кребс и К. Гензеляйт в 1932 г. вывели уравнения реакций синтеза мочевины, которые представлены в виде цикла, получившего в литературе название орнитиновогоцикла мочевинообразования Кребса.
Весь цикл мочевинообразования может быть представлен следующим образом. На первом этапе синтезируется макроэргическое соединение карбамоилфосфат – метаболически активная форма аммиака, используемая в качестве исходного продукта для синтеза пиримидиновых нуклеотидов (соответственно ДНК и РНК) и аргинина (соответственно белка и мочевины):
Существуют два разных пути синтеза карбамоилфосфата в клетках печени, катализируемые разными ферментами. Первую необратимую реакцию катализирует регуляторный фермент – аммиакзависимая карбамоилфосфатсинтетаза:
Реакция требует затраты двух молекул АТФ, проходит в митохондриях клеток печени и используется преимущественно для синтеза аргинина и мочевины. В этой реакции в качестве активного стимулирующего аллостерического эффектора действует N-ацетилглутамат. Вторую, также необратимую, реакцию катализирует глутаминзависимая карбамоилфосфатсинтетаза:
Данная реакция открыта в цитозоле клеток печени и требует наличия ионов Mg2+.
На втором этапе цикла мочевинообразования происходит конденсация карбамоилфосфата и орнитина с образованием цитруллина; реакцию катализирует орнитин-карбамоилтрансфераза. На следующей стадии цитруллин превращается в аргинин в результате двух последовательно протекающих реакций. Первая из них, энергозависимая,– это конденсация цитруллина и аспарагиновой кислоты с образованием аргининосукцината (эту реакцию катализирует аргининосукцинатсинтетаза). Аргининосукцинат распадается в следующей реакции на аргинин и фумарат при участии другого фермента – аргининосукцинатлиазы. На последнем этапе аргинин расщепляется на мочевину и орнитин под действием аргиназы. Суммарная реакция синтеза мочевины без учета всех промежуточных продуктов может быть представлена в следующем виде:
Учитывая выше изложенные данные о механизмах обезвреживания аммиака в организме, можно сделать следующее заключение. Часть амиака используется на биосинтез аминокислот путем восстановительного аминирования б-кетокислот по механизму реакции трансаминирования. Аммиак связывается при биосинтезе глутамина и аспарагина. Некоторое количество аммиака выводится с мочой в виде аммонийных солей. В форме креатинина, который образуется из креатина и креатинфосфата, выделяется из организма значительная часть азота аминокислот. Наибольшее количество аммиака расходуется на синтез мочевины, которая выводится с мочой в качестве главного конечного продукта белкового обмена в организме человека и животных. Подсчитано, что в состоянии азотистого равновесия организм взрослого здорового человека потребляет и соответственно выделяет примерно 15 г азота в сутки; из экскретируемого с мочой количества азота на долю мочевины приходится около 85%, креатинина – около 5%, аммонийных солей – 3%, мочевой кислоты – 1% и на другие формы – около 6% [2].
продолжение
--PAGE_BREAK--1.3 Желчеобразовательная и экскреторная функция
Печень образует специальный жидкий экскрет — желчь, которая выделяется в тонкий кишечник. Нарушение экскреторной функции неблагоприятно влияет на переваривание и всасывание липидов и вызывает накопление токсических продуктов обмена пигментов и чужеродных веществ. Компонентами жёлчи, кроме воды, являются соли жёлчных кислот, холестерин, фосфолипиды, билирубин-глюкурониды, муцин, немного белков (альбумины, 5’-нуклеотидаза, щелочная фосфатаза, ГГТП, иммуноглобулин А), различных ионов (Na+, Cl-, HCO3-, Cu++, Fe+++, Se++и др.), микроколичества липовитаминов, стероидных гормонов и т.д.
Желчь – жидкий секрет желтовато-коричневого цвета, в сутки у человека образуется 500–700 мл желчи (10 мл на 1 кг массы тела). Желчеобразование происходит непрерывно, хотя интенсивность этого процесса на протяжении суток резко колеблется. Вне пищеварения печеночная желчь переходит в желчный пузырь, где происходит ее сгущение в результате всасывания воды и электролитов. Относительная плотность печеночной желчи 1,01, а пузырной – 1,04. Концентрация основных компонентов в пузырной желчи в 5–10 раз выше, чем в печеночной.
Образование желчи начинается с активной секреции гепатоцитами воды, желчных кислот и билирубина, в результате которой в желчных канальцах появляется так называемая первичная желчь. Она, проходя по желчным ходам, вступает в контакт с плазмой крови, вследствие чего между желчью и плазмой устанавливается равновесие электролитов, т.е. в образовании желчи принимают участие в основном два механизма – фильтрация и секреция.
В печеночной желчи можно выделить две группы веществ. Первая группа – это вещества, которые присутствуют в желчи в количествах, мало отличающихся от их концентрации в плазме крови (например, ионы Na, К, креатин и др.), что в какой-то мере служит доказательством наличия фильтрационного механизма. Ко второй группе относятся соединения, концентрация которых в печеночной желчи во много раз превышает их содержание в плазме крови (билирубин, желчные кислоты и др.), что свидетельствует о наличии секреторного механизма. В последнее время появляется все больше данных о преимущественной роли активной секреции в механизме желчеобразования. Кроме того, в желчи обнаружен ряд ферментов, из которых особо следует отметить щелочную фосфатазу печеночного происхождения. При нарушении оттока желчи активность данного фермента в сыворотке крови возрастает.
Основныефункции желчи.1. Эмульсификация. Соли желчных кислот обладают способностью значительно уменьшать поверхностное натяжение. Благодаря этому они осуществляют эмульгирование жиров в кишечнике, растворяют жирные кислоты и нерастворимые в воде мыла. 2. Нейтрализация кислоты. Желчь, рН которой немногим более 7,0, нейтрализует кислый химус, поступающий из желудка, подготавливая его для переваривания в кишечнике. 3. Экскреция. Желчь – важный носитель экскретируемых желчных кислот и холестерина. Кроме того, она удаляет из организма многие лекарственные вещества, токсины, желчные пигменты и различные неорганические вещества, такие, как медь, цинк и ртуть. 4. Растворение холестерина. Как отмечалось, холестерин, подобно высшим жирным кислотам, представляет собой нерастворимое в воде соединение, которое сохраняется в желчи в растворенном состоянии лишь благодаря присутствию в ней солей желчных кислот и фосфатидилхолина. При недостатке желчных кислот холестерин выпадает в осадок, при этом могут образовываться камни. Обычно камни имеют окрашенное желчным пигментом внутреннее ядро, состоящее из белка. Чаще всего встречаются камни, у которых ядро окружено чередующимися слоями холестерина и билирубината кальция. Такие камни содержат до 80% холестерина. Интенсивное образование камней отмечается при застое желчи и наличии инфекции. При застое желчи встречаются камни, содержащие 90–95% холестерина, а при инфекции могут образовываться камни, состоящие из билирубината кальция. Принято считать, что присутствие бактерий сопровождается увеличением в-глюкуронидазной активности желчи, что приводит к расщеплению конъюгатов билирубина; освобождающийся билирубин служит субстратом для образования камней.
1.4 Биотрансформационная (обезвреживающая) функция
Печень является основным органом, где происходит обезвреживание природных продуктов обмена и чужеродных веществ. Чужеродные вещества (ксенобиотики) в печени превращаются в менее токсичные и индифферентные вещества. В этом смысле можно говорить об обезвреживании, но более точно применяется термин биотрансформация. Эти процессы проходят путем окисления, восстановления, метилирования, ацетилирования и конъюгации с теми или иными веществами. Окисление, восстановление и гидролиз чужеродных соединений осуществляют в основном микросомальные ферменты. Наряду с микросомальным в печени существует также пероксисомальное окисление.
Пероксисомы – микротельца, обнаруженные в гепатоцитах; их можно рассматривать как специализированные окислительные органеллы. Эти микротельца содержат оксидазу мочевой кислоты, лактатоксидазу, оксидазу D-аминокислот, а также каталазу (катализирует расщепление перекиси водорода, которая образуется при действии указанныхоксидаз). Пероксисомальное окисление, так же как и микросомальное, не сопровождается образованием макроэргических связей.
В печени широко представлены также защитные синтезы, например синтез мочевины, в результате которого обезвреживается весьма токсичный аммиак. Это было рассмотренно в мочевинообразавательной функции. В результате гнилостных процессов, протекающих в кишечнике, из тирозина образуются фенол и крезол, а из триптофона – скатол и индол. Эти вещества всасываются и с током крови поступают в печень, где обезвреживаются путем образования парных соединений с серной или глюкуроновой кислотой. Обезвреживание фенола, крезола, скатола и индола в печени происходит в результате взаимодействия этих соединений не со свободными серной и глюкуроновой кислотами, а с их так называемыми активными формами: ФАФС и УДФГК. Глюкуроновая кислота участвует не только в обезвреживании продуктов гниения белковых веществ, образовавшихся в кишечнике, но и в связывании ряда других токсичных соединений, образующихся в процессе обмена в тканях. В частности, свободный, или непрямой, билирубин, обладающий значительной токсичностью, в печени взаимодействует с глюкуроновой кислотой, образуя моно- и диглюкурониды билирубина. Нормальным метаболитом является и гиппуровая кислота, образующаяся в печени из бензойной кислоты и глицина. Синтез гиппуровой кислоты у человека протекает преимущественно в печени.
В печени широко представлены процессы метилирования. Так, перед выделением с мочой амид никотиновой кислоты (витамин РР) метилируется в печени; в результате образуется N-метилникотинамид. Наряду с метилированием интенсивно протекают и процессы ацетилирования. В частности, в печени ацетилированию подвергаются различные сульфаниламидные препараты.
Примером обезвреживания токсичных продуктов в печени путем восстановления является превращение нитробензола в парааминофенол. Многие ароматические углеводы обезвреживаются путем окисления с образованием соответствующих карбоновых кислот.
Печень принимает активное участие в инактивации различных гормонов. С током крови гормоны попадают в печень, при этом активность их в большинстве случаев резко снижается или полностью утрачивается. Так, стероидные гормоны, подвергаясь микросомальному окислению, инактивируются, превращаясь затем в соответствующие глюкурониды и сульфаты. Под влиянием аминооксидаз в печени происходит окисление катехоламинов и т.д.
Печень способна инактивировать ряд сильнодействующих физиологических и чужеродных (в том числе токсичных) веществ.
продолжение
--PAGE_BREAK--