15.4. Регуляція концентрації енергетичних речовин у крові
Усі живі клітини потребують безперервного постачання речовин, що можуть бути джерелом їхньої метаболічної енергії. Ця потреба, як і потреба в кисні, змінюється залежно від функціональної активності клітини. У ссавців енергетичні речовини надходять у кров в основному у вигляді глюкози, і тому підтримання її гомеостазу у крові є необхідною умовою збереження життя. Регулювання цього гомеостазу забезпечується високодосконалою сигнальною системою, в якій керуючі сигнали передаються гуморальним шляхом – через виділення у кровотік певних фізіологічно активних сполук.
Розглянемо загальні принципи підтримання у крові необхідного рівня глюкози. Цей рівень визначається, по-перше, періодичним надходженням глюкози зі шлунково-кишкового тракту після кожного споживання їжі в результаті травного розщеплення в ній вуглеводів і всмоктування виникаючих моносахаридів, і більш постійно – у результаті розщеплення в печінці відкладеного там глікогену, що служить внутрішнім депо вуглеводів. По-друге, цей рівень залежить від постійного споживання глюкози тканинами для задоволення їхніх енергетичних витрат. Незважаючи на ці змінні фактори, у фізіологічних умовах рівень глюкози у крові є досить постійним (близько 5 ммоль/кг води плазми крові). Лише відразу після прийому їжі під час її всмоктування він може зростати до 6,1–6,7 ммоль/кг, а при помірному голодуванні зменшуватися до 3,5 ммоль/кг.
При травному підвищенні рівня глюкози (аліментарній гіперглікемії) активується синтез глікогену в печінці (глікогенез), і тому рівень її у крові швидко стабілізується за рахунок поповнення цього депо вуглеводів. Навпаки, при зниженні рівня глюкози нижче норми активується протилежний процес – розщеплення глікогену (глікогеноліз), за рахунок якого такий дефіцит поповнюється. Напрямок переміщення глюкози і є тією змінною, яка керує виділенням у кров відповідних фізіологічно активних сполук (гормонів).
Надходження глюкози з крові до клітин більшості тканин (у першу чергу, клітин печінки) визначається наявністю гормону інсуліну, що виробляється бета-клітинами острівків Лангерганса в підшлунковій (панкреатичній) залозі. Якщо рівень глюкози у крові нижче 3,3 ммоль/кг, то інсулін взагалі не виділяється. За перевищення цього порогового рівня він виділяється у все більшій кількості за рахунок прямої стимуляції глюкозою секреторної функції В-клітин. Унаслідок такої залежності підчас дефіциту глюкози остання не може потрапити у клітини інсулінчутливих тканин, але може потрапляти до тканин, в яких утилізація глюкози не залежить від інсуліну (в тому числі нервової тканини). Інсулінчутливі тканини при цьому можуть забезпечувати свої енергетичні потреби тільки за рахунок інших джерел (жирів і білків, які в ході певних метаболічних циклів також можуть використовуватися для цієї мети). Інсулін, крім регуляції надходження глюкози до клітин, також стимулює глікогенез (синтез глікогену) та пригнічує глікогеноліз (його розклад).
Таким чином, саме виділення інсуліну є тим механізмом гуморального зворотного зв‘язку, який забезпечує зниження рівня глюкози за гіперглікемії – появи її надлишку у крові (гіпоглікемізуюча дія). Лише за дуже значного підвищення цього рівня глюкоза починає виводитися нирками у сечу (глюкозурія). Інсулін є єдиним гормоном в організмі, який діє таким чином, і, навпаки, існує ціла низка гормонів, які стимулюють розщеплення глікогену й тим самим вони можуть сприяти підвищенню рівня глюкози (гіперглікемізуюча дія). До таких гормонів належать глюкагон (що виробляється D-клітинами підшлункової залози, адреналін, глюкокортикоїди (гормони кори надниркової залози), тироксин (гормон щитоподібної залози), гіпофізарний гормон росту. Викид цих гормонів у кров стимулюється недостатністю в ній глюкози (гіпоглікемією), і тому вони являють собою функціонально-антагоністичну систему зворотних зв‘язків, яка у сполученні з інсуліновою системою забезпечує ефективний гомеостаз глюкози в організмі.
Аналогічні регуляторні системи беруть участь у гомеостазі інших можливих джерел енергії – продуктів розщеплення жирів і білків. Жири є значним резервом енергії для метаболізму й можуть включатися в нього у вигляді тригліцеридів і жирових кислот. Для енергетичних цілей у крайньому разі можуть використовуватися також й амінокислоти. Як і при мобілізації чи створенні запасу глюкози, витрати жирових і білкових запасів також регулюються системою гуморальних зворотних зв‘язків, ефективність дії
Рис. 15.7. Загальна схема регуляції рівнів вуглеводів, жирів та білків в організмі. Стрілками вказані напрямки основних перетворень в системі. В пулі глюкози вказано рівень, при перевищенні якого вона починає виводитися з сечею (глюкозурія).
яких полягає в регуляції активності відповідних ферментів. Так, інсулін сприяє утворенню жирових запасів і пригнічує ліполіз, він також сприяє синтезу білків, і, навпаки, глюкагон, адреналін та гормон росту стимулюють ліполіз.
Усе вищенаведене можна собі більш наочно уявити на схемі, в якій рівні відповідних енергетичних речовин представлено у вигляді рівнів рідини в ємностях, що мають регульовані системи її надходження та витоку (рис. 15.7).
Зрозуміло, що під час життєдіяльності відбувається поступове вичерпання в організмі наявних запасів енергетичних речовин, і тому нормальне продовження можливе лише у випадку постійного надходження їх із зовнішнього середовища у вигляді їжі. Процес їжі також ефективно регулюється за рахунок активації вищих мозкових центрів, відповідальних за поведінку пошуку та поглинання їстівних продуктів. Датчиками сигналів, що включають відповідну поведінку організму, є ті самі рівні енергетичних речовин (у першу чергу глюкози) у крові, яка надходить до відповідних центрів. Зниження їхнього рівня викликає виникнення почуття голоду й тим самим спонукає організм до пошуку їжі та поповнення своїх енергетичних запасів.