6 курс / Эндокринология / Эндокринология_и_метаболизм_Фелиг_Ф_,_Бакстер_Дж_Д_,_Бродус_А_Е

ГЛИКОЛИЗ

Гликолизом называется анаэробный распад глюкозы до пирувата и лактата. Этот катаболический процесс был первой выясненной ферментативной системой и его часто называют путем Эмбдена — Мейергофа. Он представляет собой механизм, с помощью которого химическая энергия, накопленная в виде глюкозы, становится доступной для клеточных функций в форме макроэргического фосфата АТФ в результате окислительно-восстановительных реакций, которые могут протекать в отсутствие кислорода. Конечным продуктом гликолиза в анаэробных условиях является лактат. В аэробных же условиях его конечный продукт — пируват, который, превращаясь в аце- тил-СоА, проникает в цикл трикарбоновых кислот, или цикл Кребса, и окисляется до СО2. Ферменты, принимающие участие в гликолизе, локализуются в цитоплазме и широко представлены практически во всех клетках организма. Однако в количественном отношении гликолиз представляет собой основной путь утилизации глюкозы только в клетках определенных типов: 1) эритроцитах, лишенных способности аэробного окисления; 2) скелетных мышцах, особенно в период интенсивного сокращения; 3) сердечной мышце в условиях недостаточной перфузии (например, при поражении коронарных артерий).

Общий распад глюкозы до двух молекул лактата включает три одновременных и координированных процесса: 1) распад 6-углеродного скелета глюкозы — альдегида через ряд ферментативных стадий на две молекулы 3-углеродной молочной кислоты; 2) перенос энергии, приводящий к «чистому» синтезу АТФ; 3) перенос электронов через ряд окислительно-восстановительных реакций.

Из 11 ферментативных реакций превращения глюкозы в молочную кислоту только три являются термодинамически необратимыми и тем самым представляют собой потенциально регуляторные пункты: 1) гексокиназа; 2) фосфофруктокиназа, катализирующая образование фруктозо-1, 6-дифосфата из фруктозо-1-фосфата; 3) пируваткиназа, катализирующая образование пирувата из фосфоенолпирувата. Фосфофруктокиназа является аллостерическим ферментом, стимулируемым АДФ и АМФ и ингибируемым большими концентрациями АТФ, цитрата и длинноцепочечных жирных кислот [8]. Таким образом, в условиях избытка АТФ или ускоренного аэробного окисления, приводящего к накоплению цитрата, фосфофруктокиназа ингибируется и гликолиз тормозится (пастеровский эффект). В противоположность этому при дефиците в клетке АТФ и торможении аэробного окисления фосфофруктокиназа стимулируется. Следует отметить, что хотя гексокиназная реакция также необратима, главную роль в гликолитическом пути играет все же фосфофруктокиназная реакция, поскольку глюкозо-6-фосфат может вступать не только в процесс гликолиза, но и в другие ферментативные превращения (см. рис. 10—2). Вследствие своей необратимости, аллостерической модуляции и положения в ферментативной последовательности фосфофруктокиназная реакция представляет собой наиболее важный пункт регуляции гликолиза. Например, повышение активности фосфофруктокиназы в результате снижения уровня АТФ, вызванного сокращением мышцы, является главным механизмом, с помощью которого мышечная работа стимулирует гликолиз.

Последняя стадия гликолиза это — превращение пирувата в лактат под действием лактатдегидрогеназы. В этой восстановительной реакции НАД-Н, образованный ранее в процессе гликолиза (при окислении глицеральдегида-3-фосфата в 3- фосфоглицерат), вновь превращается в НАД. Равновесие реакции сдвинуто в сторону образования лактата. Значение этой реакции заключается в том, что она создает возможность продолжения гликолиза, поставляя НАД за счет образования лактата. Молочная кислота, образующаяся при гликолизе, свободно диффундирует из клетки и проникает в кровоток.

ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ

Этим термином называют образование глюкозы из неуглеводных источников. Основными субстратами-предшественниками, из которых могла бы образоваться глюкоза, являются пируват, лактат, глицерин, жирные кислоты с нечетным числом углеродных атомов и аминокислоты. Что касается последних, то все входящие в состав тканевых белков аминокислоты, за исключением лейцина, в конце концов действительно могут превращаться в глюкозу. Однако поглощение печенью аминокислот таково, что главным глюкогенным субстратом, высвобождаемым из периферических белковых запасов,

является аланин. Жирные кислоты с четным числом углеродных атомов (составляющие более 95% от общего содержания жирных кислот) в печени млекопитающих не могут превращаться в глюкозу из-за отсутствия ферментов, необходимых для синтеза 4- углеродных дикарбоновых кислот из ацетил-СоА de novo.

За исключением глицерина любые предшественники глюконеогенеза прежде чем превратиться в глюкозу должны превратиться в пируват и/или оксалацетат. Ферментативные стадии образования глюкозы из пирувата отличаются от тех, из которых состоит гликолиз, по трем пунктам, в которых происходят термодинамически необратимые реакции (рис. 10—4): 1) дефосфорилирование фосфоенолпирувата с образованием пирувата; 2) фосфорилирование фруктозо-1-фосфата с образованием фруктозо-1,6- дифосфата; 3) фосфорилирование глюкозы с образованием глюкозо-6-фосфата. Биологическая обратимость достигается с помощью четырех ферментов, принимающих участие только в глюконеогенезе: пируваткарбоксилазы, фосфоэнолпируваткарбоксикиназы; фруктозо-1,6-дифосфатазы и глюкозо-6-фосфатазы. Реакции, катализируемые этими ферментами, — ключевые регуляторные этапы глюконеогенеза, и протекают они в печени, почках и эпителии кишечника, но не в мышцах или в сердце. С количественной стороны наиболее важным местом глюконеогенеза в таких физиологических условиях, как голодание или физическая нагрузка, и при таких патологических состояниях, как диабет, является печень. Почки приобретают значение в качестве органа глюконеогенеза только при очень длительном голодании [9].

Рис. 10—4. Глюконеогенез. Основные субстраты глюконеогенеза и ключевые ограничивающие скорость ферментативные стадии.

Постоянная регуляция глюконеогенеза зависит от присутствия субстратов, активности ферментов и гормональной среды. В состоянии натощак (после ночного голодания) и при кратковременном голодании снижение уровня инсулина в сыворотке способствует увеличению распада белка и мобилизации аминокислот, что обеспечивает снабжение процесса большим количеством предшественников глюкозы. В этих условиях мобилизуются и жирные кислоты, служащие главным субстратом окисления в печени. Вследствие этого повышается внутрипеченочный уровень ацетил-СоА, что приводит к активации ключевого фермента глюконеогенеза пируваткарбоксилазы, которая аллостерически активируется ацетил-СоА. «Чистым» результатом является увеличение как уровня субстратов, так и активности ферментов, необходимых для глюконеогенеза. Однако по мере продолжения голодания в течение длительных периодов ограничивающим скорость процессом становится доступность субстрата-предшественника, так как высвобождение аланина периферическими тканями существенно уменьшается ,[10].

В отличие от голодания при большом количестве углеводов (например, в состоянии сытости) интенсивность глюконеогенеза снижается. Мобилизуется меньше жира прежде всего из-за того, что повышенная секреция инсулина, вызванная углеводами, тормозит высвобождение жирных кислот из депо (см. далее). В результате образуется меньшее количество ацетил-СоА и активность пируваткарбоксилазы снижается. Кроме того, в меньшей степени мобилизуются аминокислоты. В силу этих изменений поглощение печенью и превращение в глюкозу предшественников глюконеогенеза, особенно аланина, угнетается.

Регуляторные воздействия таких гормонов, как глюкокортикоиды и глюкагон, на глюконеогенез реализуются также на этапах превращения пирувата в фосфоенолпируват (см. рис. 10—4).

При этом глюкокортикоиды влияют на глюконеогенез еще в силу своего катаболического действия на тканевые белки, что увеличивает количество аминокислотпредшественников.

ИНТЕГРАЦИЯ ГЛИКОЛИЗА И ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗА: ЦИКЛ КОРИ

Хотя в пределах конкретной ткани, например печени, преобладает движение углеродных атомов в направлении либо гликолиза, либо глюконеогенеза, в организме в целом гликолиз и глюконеогенез протекают, как правило, одновременно в разных тканях. Печень обнаруживает глюконеогенную активность, начиная примерно через 3 ч после приема содержащей углеводы пищи и сохраняя эту активность до следующего приема пищи. С другой стороны, форменные элементы крови, покоящаяся мышца и гораздо в большей степени работающая мышца непрерывно продуцируют лактат. Сочетанная активность глюконеогенеза и гликолиза, обусловливающая кругооборот углеродных скелетов глюкозы и лактата между печенью и мышцей, известна под названием цикла Кори (рис. 10—5). Глюкоза высвобождается печенью в кровоток и поглощается мышечной тканью. В мышце глюкоза подвергается гликолизу и ее углеродный скелет высвобождается в кровь в виде лактата и пирувата. Печень экстрагирует лактат и пируват из крови и в ходе глюконеогенеза вновь превращает эти субстраты в глюкозу. Подсчитано, что повторный кругооборот углеродных скелетов между лактатом и глюкозой составляет 20% от общего кругооборота каждого из этих субстратов.

Цикл Кори не может привести к образованию новых молекул глюкозы. Однако он является механизмом, с помощью которого конечные продукты гликолиза могут вступать на путь анаболизма, а не накапливаться в крови или подвергаться дальнейшему окислению. Описан также аналогичный цикл между глюкозой и аланином (глюкозоаланиновый цикл) [10], который будет проанализирован в разделе, посвященном метаболизму аминокислот.

Несмотря на быстрый кругооборот глюкозы через цикл Кори, уровень лактата и пирувата в крови в норме не достигает 1 мМ. Однако в условиях повышенного анаэробного гликолиза, будь то вследствие физиологических (например, физическая работа) или патологических (сосудистый коллапс при гиповолемии, сепсисе или кардиогенном шоке) стимулов, происходит накопление лактата. Лактат накапливается и при нарушении цикла Кори под влиянием угнетающих глюконеогенез веществ, таких, как этанол или фруктоза. Антиглюконеогенный эффект этанола обусловлен значительным увеличением отношения НАД-Н/НАД вследствие метаболизма спирта под действием фермента алкогольдегидрогеназы. В результате накопления избыточного количества НАД•Н ингибируется превращение лактата в пируват. Более того, пируват, образующийся при дезаминировании аланина, также быстро превращается в лактат. В отличие от этого глюконеогенез из глицерина, вступающий на этот путь на уровне триозофосфатов (см. рис. 10—4), этанолом не ингибируется.

Рис. 10—5. Цикл Кори (лактат глюкоза) и глюкозоаланиновый цикл. В обоих циклах глюкоза поглощается мышцей и превращается в пируват и лактат. Часть пирувата в мышце подвергается аминированию с образованием аланина. Образующиеся из глюкозы лактат и аланин в печени вновь превращаются в глюкозу.

Глюконеогенез — не единственный путь метаболизма для лактата, высвобождаемого в кровоток. В печени и гораздо в большей степени в сердечной мышце и почках лактат подвергается окончательному окислению в СО2.

ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ

Ферментативный процесс, с помощью которого ткани в аэробных условиях утилизируют кислород и выделяют двуокись углерода (т. е. осуществляют клеточное дыхание), называется циклом трикарбоновых кислот (ТКК), или циклом Кребса. Эта последовательность метаболических превращений представляет собой общий конечный путь аэробного окисления и образования СО2 из углеводов, жирных кислот и аминокислот. Ферменты, катализирующие цикл ТКК, расположены в митохондриях. В этих органеллах они находятся в тесной связи с дыхательной цепью — последовательностью белков, которая обеспечивает сопряжение энергии, высвобождающейся в различных окислительных реакциях цикла ТКК, с образованием АТФ, т. е. процесс окислительного фосфорилирования. Таким образом, с количественной стороны, цикл ТКК является наиболее важным путем утилизации энергии, запасенной в различных субстратах метаболизма.

Реакцией, связывающей гликолиз с циклом ТКК, служит окислительное декарбоксилирование пирувата до ацетата и конденсация последнего с коферментом А, в результате чего образуется ацетил-СоА. Этот процесс катализируется пируватдегидрогеназой. Активность ее снижается в присутствии высоких концентраций АТФ. Напротив, при снижении уровня АТФ окисление пирувата ускоряется. Предполагается, что пируватдегидрогеназа является регуляторным пунктом, через который повышение окисления свободных жирных кислот препятствует окислению глюкозы (см. далее: цикл глюкоза—жирные кислоты). Кроме того, ингибиторный эффект лейцина на окисление глюкозы в мышечной ткани также относят за счет торможения пируватдегидрогеназы [11].

Все энергетические субстраты поступают в цикл ТКК в форме метаболического интермедиата — ацетил-СоА. Конечными продуктами являются две молекулы СО2, Н2О и кофермент А. Таким путем происходит окончательное окисление углеродного скелета ацетил-СоА и его предшественников: глюкозы, жирных и аминокислот. Циклический характер этого пути определяется тем, что субстрат, соединяющийся с ацетил-СоА в первой реакции цикла — оксалацетат, восстанавливается в последней реакции. Продуктом этой первой реакции является цитрат — трикарбоновая кислота, что и дало наименование всему циклу — цикл трикарбоновых кислот, или цикл лимонной кислоты.

Общая активность цикла ТКК определяется присутствием АТФ и субстратов, а также активностью ферментов и гормональной средой. Эти контролирующие влияния в значительной мере взаимозависимы. Например, при крайне низком уровне инсулина ферменты глюконеогенеза резко активируются, вследствие чего использование оксалацетата в этом процессе увеличивается в достаточной степени, чтобы ограничить активность цикла ТКК. Главной детерминантой ферментативной активности является присутствие АТФ, АДФ и АМФ. В условиях уменьшенного количества АТФ и повышения уровня АДФ активность цитратсинтетазы (фермент, катализирующий первую стадию цикла — конденсацию ацетил-СоА и оксалацетата) и изоцитратдегидрогеназы увеличивается. Наоборот, при повышении уровня АТФ и уменьшении содержания АДФ эти ферменты ингибируются. Вследствие этого использование АТФ при мышечном сокращении ускоряет окисление глюкозы, тогда как в состоянии покоя окисление глюкозы мышцей практически равно нулю.

ПЕНТОЗНЫЙ ПУТЬ И ДРУГИЕ МЕТАБОЛИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ГЛЮКОЗЫ

Помимо гликолиза и аэробного окисления в цикле ТКК, глюкозо-6-фосфат может окисляться глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназой, что приводит к образованию 6- фосфоглюконата. Последний может затем через ряд промежуточных реакций превращаться в пентозы: рибулезу, рибозу и ксилулозу. Основной задачей этого пути является образование пентоз, необходимых для синтеза нуклеиновых кислот, и генерация восстановительных эквивалентов в форме НАДФ-Н, необходимого в восстановительном синтезе жирных кислот и стеролов. Следовательно, пентозный путь имеет

определенное значение в метаболизме глюкозы в печени (основном месте биосинтеза жирных кислот у человека) и в ткани надпочечников и семенников (местах биосинтеза стеролов). Напротив, в мышечной ткани активность пентозного пути практически не выявляется.

Другое важное направление метаболизма глюкозы и прочих углеводов—их использование в биосинтезе гликопротеинов [12]. К гликопротеинам относится множество разнообразных соединений, в том числе составные части плазмы крови (фибриноген, иммуноглобулины), гормоны (гонадотропины), ферменты (рибонуклеаза В), слизистые секреты, коллаген и белки базальной мембраны. Присоединение углеводного компонента к полипептидным цепям белков базальной мембраны в качестве начальной реакции предполагает взаимодействие с уридинтрифосфатом (УТФ) и образование уридиндифосфатного производного. Затем специфические трансферазы катализируют перенос углевода на полипептид.

Глюкоза или фруктоза могут превращаться также в полигидроксильный спирт сорбитол в ходе следующих реакций

Сорбитоловый путь широко распространен в клетках млекопитающих, в том числе в специализированных структурах, как нервная ткань и эндотелий сосудов [13].

Значение этих альтернативных путей метаболизма глюкозы определяется тем обстоятельством, что их активность зависит от концентрации глюкозы в крови и не зависит от присутствия инсулина. Так, при гипергликемии и дефиците инсулина (что наблюдают при диабете) обнаружено повышенное гликозилирование белков базальной мембрны и гемоглобина. В нервной ткани животных с диабетом наблюдалось также повышенное накопление сорбитола. Эти изменения метаболизма глюкозы могут быть причастны к нарушениям микроциркуляции и нейропатии, которые встречаются при длительно текущем диабете (см. далее).

ОБМЕН ЖИРОВ

Жирные кислоты накапливаются в жировой ткани и других клетках (в печени) в виде эфиров тригидроксильного спирта — глицерина, которые поэтому называются триглицеридами или, что более правильно, триацилглицеролами. Триглицериды — наиболее важная из доступных организму млекопитающих форма накопления энергии, на долю которой приходится более 80% от всей накопленной энергии. Это определяется их калорической плотностью (9 кал/г по сравнению с 4 кал/г в углеводах или белках), равно как и безводной природой. Так, если бы в организме человека калории откладывались не в виде жира, а в виде углеводов (гликогена), то для накопления конкретного количества калорий ему потребовалось бы в 8 раз большая масса, чем в случае, когда это накопление происходит в виде жира.

СИНТЕЗ ЖИРНЫХ КИСЛОТ И ТРИГЛИЦЕРИДОВ

Исходным предшественником для синтеза жирных кислот является ацетил-СоА, образующийся из глюкозы через пируват в ходе пируватдегидрогеназной реакции (см. ранее) или при окислении аминоили жирных кислот (см. далее). Первой стадией синтеза жирных кислот в цитозоле является карбоксилирование ацетил-СоА с образованием малонил-СоА. Фермент, катализирующий эту реакцию — ацетил-СоА- карбоксилаза, представляет собой ограничивающий скорость пункт биосинтеза жира. Этот фермент требует присутствия биотина в качестве кофактора и аллостерически активируется цитратом. Он ингибируется свободными жирными кислотами и производными жирокислотного ацил-СоА и стимулируется инсулином. Уровень фермента снижается при голодании и диабете и повышается после потребления пищи. Малонил-СоА в свою очередь является мощным ингибитором окисления жирных кислот и кетогенеза [15]. Тем самым избегается «бесполезный» цикл одновременной стимуляции синтеза и окисления жирных кислот.

Для накопления жирных кислот в виде капелек жира в клетках необходима их

эстерификация с -глицерофосфатом, образующая триглицерид. Глицерин-3-фосфат может образовываться при гликолитическом распаде глюкозы до диоксиацетона, который затем в присутствии НАД•Н восстанавливается. Глицерин-3-фосфат может образовываться и из свободного глицерина (высвобождаемого при распаде триглицеридов) в присутствии АТФ и глицерокиназы. Последняя присутствует в печени, но отсутствует в жировой ткани. Синтез триглицеридов в жировой ткани требует не только производных жирокислотного ацил-СоА (либо синтезированных in situ, либо извлекаемых из липопротеинов крови), но и поглощения глюкозы и ее утилизации по пути гликолиза с тем, чтобы получить глицерин-3-фосфат.

Ферменты, необходимые для синтеза жира, присутствуют в разных тканях, особенно в печени, жировой ткани и кишечнике. Однако исследования жировой ткани человека обнаружили относительно низкую скорость включения глюкозы в жирные кислоты [16]. Синтез жирных кислот у человека происходит в основном в печени, откуда они высвобождаются в виде триглицеридов в составе липопротеинов очень низкой плотности (ЛПОНП). Последние служат средством транспорта триглицеридов в жировую ткань, где липопротеиновая липаза катализирует их гидролиз до свободных жирных кислот и глицерина, проникающих в клетку. В жировых клетках протекает реакция реэстерификации между образованным из глюкозы глицерин-3-фосфатом и приносимыми липопротеинами жирными кислотами. Таким образом, синтетическая функция жировой ткани заключается прежде всего в образовании глицерин-3-фосфата, тогда как превращение ацетил-СоА в длинноцепочечные жирные кислоты происходит в печени (рис.

10-6)

Рис. 10—6. Гомеостаз жира у человека. Жирные кислоты либо поступают в организм в виде триглицеридов (ТГ) с пищей, либо синтезируются из глюкозы в печени. Они транспортируются из кишечника и печени в виде хиломикронов и липопротеинов очень низкой плотности соответственно. Поглощение жировыми клетками прежде всего требует действия липопротеиновой липазы, которая высвобождает свободные жирные кислоты (СЖК), подвергающиеся реэстерификации внутри жировой клетки. Высвобождение из жировой клетки регулируется гормончувствительной тканевой липазой. Затем СЖК могут поглощаться мышцами, сердцем и другими тканями.

МОБИЛИЗАЦИЯ ЖИРНЫХ КИСЛОТ

Хотя жир накапливается в виде триглицеридов, его поглощение и окисление тканями (сердце, мышца, печень) требует высвобождения этих запасов из депо в виде свободных жирных кислот (СЖК), переносящихся с кровью (см. рис. 10—6). Распад триглицеридов в жировой ткани регулируется тканевой липазой, катализирующей сле-

дующую реакцию триглицерид + 3Н2О 3СЖК + глицерин

Этот процесс, называемый липолизом, находится под регулирующим влиянием различных гормонов (адреналин, гормон роста, инсулин). Фермент получил название гормончувствительной липазы. Адреналин, глюкагон, гормон роста, АКТГ и тиреоидные гормоны повышают его активность, а инсулин снижает ее. Как правило, гормональная активация липазы сопровождается увеличением уровня цАМФ (что и может быть механизмом изменения активности фермента), тогда как инактивация липазы связана со снижением уровня цАМФ. Наиболее важным с физиологической точки зрения

активатором гормончувствительной липазы является адреналин, а наиболее важным ингибитором ее инсулин. Маловероятно, чтобы АКТГ или глюкагон играли роль в физиологической модуляции липолиза, поскольку для повышения активности липазы требуются чрезвычайно высокие концентрации этих гормонов.

На скорость липолиза влияет также утилизация глюкозы жировой тканью. Как показано на рис. 10—6, ресинтез триглицеридов может продолжаться до тех пор, пока имеющийся глицерин-3-фосфат обеспечивает возможность эстерификации СЖК. Поскольку в жировой ткани отсутствует глицерокиназа, количество-глицерин-3-фосфата определяется скоростью гликолиза. В условиях повышения утилизации глюкозы мобилизация жирных кислот снижается из-за увеличения количества субстрата их эстерификации независимо от изменений активности гормончувствительной липазы.

ОКИСЛЕНИЕ ЖИРНЫХ КИСЛОТ

Процесс, с помощью которого жирные кислоты окисляются и обеспечивают продукцию макроэргического фосфата в виде АТФ, называется -окислением, поскольку в

нем происходит окисление -углеродного атома с образованием -кетокислоты, подвергающейся расщеплению с выходом ацетил-СоА и укороченной на два углеродных атома жирной кислоты. Этот процесс повторяется до тех пор, пока вся жирная кислота не окислится до ацетил-СоА, который поступает в цикл ТКК для последующего окисления до COs.

Начальной стадией окисления жирных кислот является их активация в цитозоле путем образования ацил-СоА-производного. Однако длинноцепочечные ацил-СоА- производные (12 углеродных атомов или более) не в состоянии проникнуть через митохондриальную мембрану. Для этого необходима молекула-переносчик, которой служит карнитин. Ацилкарнитинтрансфераза I катализирует образование жирного ацилкарнитинового производного, пересекающего внутреннюю мембрану митохондрий. Жирная ацильная группа переносится на внутримитохондриальный СоА под действием ацилкарнитинтрансферазы II. Карнитин высвобождается и тем самым становится доступным для переноса других ацильных остатков жирных кислот в митохондрии. Недавно полученные данные свидетельствуют о том, что именно это является лимитирующим

скорость ферментативным этапом процесса -окисления [15]. Кроме того, ацилкарнитинтрансфераза I ингибируется малонил-СоА — первым интермедиатом на пути биосинтеза жирных кислот (см. ранее).

КЕТОГЕНЕЗ И УТИЛИЗАЦИЯ КЕТОНОВЫХ ТЕЛ

При повышенном окислении жирных кислот в печени скорость, с которой образуется ацетил-СоА, может превышать скорость его окисления в цикле ТКК. В таких

условиях ацетил-СоА используется для продукции ацетоуксусной, -оксимасляной кислот и ацетона. Эти вещества носят собирательное название кетоновых тел. Присутствуя в избыточных количествах, например при голодании или некомпенсированном

диабете, ацетоацетат и -оксибутират обусловливают метаболический ацидоз (т. е. «голодательный» кетоз или диабетический кетоацидоз). Большие количества ацетона, имеющиеся при различных формах кетоза, не играют роли в развитии метаболического ацидоза, но способствуют появлению у больного характерного фруктового запаха при дыхании.

Рис. 10—7. Метаболические пути образования кетоновых тел (ацетоуксусной

и -оксимасляной кислоты) из ацетил-СоА и их окисления до СО2. Ограничивающая скорость стадия образования кетонов предшествует образованию ацетил-СоА и локализуется на этапе переноса жирного ацил-СоА через митохондриальную мембрану к

месту расположения ферментов, участвующих в -окислении (см. рис. 10—8). Образо-

вание ацетоуксусной кислоты из ацетоацетил-СоА требует вначале образования - окси-бета-метилглутарил-СоА.

Синтез кетоновых тел из ацетил-СоА (рис. 10—7) в качестве начального этапа предполагает конденсацию двух молекул ацетил-СоА с образованием ацетоацетил-СоА. Превращение ацетоацетил-СоА в ацетоуксусную кислоту требует его начального пре-

вращения в -окси-бета-метилглютарил-СоА, который расщепляется на ацетоуксусную

кислоту и ацетил-СоА. Образование -оксибутирата из ацетоацетата включает обратимую окислительно-восстановительную реакцию, кофактором которой служит НАД•Н. Ацетон образуется из ацетоацетата путем неферментативного спонтанного декарбоксилирования.

Рис. 10—8. Внутрипеченочная регуляция кетогенеза. Главным ограничивающим скорость этапом является перенос жирных ацильных производных через митохондриальную мембрану, осуществляемый ферментами ацилкарнитинтрансферазой (АКТ) I и II. АКТ I тормозится при повышения уровня инсулина, уменьшающего доступность карнитинаа и увеличивающего .доступность малонил-СоА—прямого ингибитора АКТ I. Наоборот, сни-

жение уровня инсулина и повышение УРОВНЯ глюкагона приводит к увеличению содержания карнитина, снижению содержания малонил-СоА и повышению активности АКТ-I (по McGarry J. D., Diabetes, 1979, 28, 517, с модификациями). СЖК — свободные жирные кислоты.

Что касается факторов, регулирующих скорость кетогенеза, то важнейшим из них, очевидно, является увеличение доставки жирных кислот в печень (повышенный липолиз). Однако доставка субстрата — это не единственная детерминанта скорости процесса, поскольку у здоровых лиц повышение уровня СЖК в крови, вызываемое приемом жирной (содержащей триглицериды) пищи одновременно с введением активатора липопротеиновой липазы (гепарин), не приводит к кетозу (17а). Вторым требова-

нием является увеличение скорости -окисления в митохондриях печени. Только при этом поступающие в печень жирные кислоты будут использоваться для образования ацетил-СоА, а не для синтеза триглицеридов. Как уже отмечалось, ограничивающей

скорость стадией -окисления жирных кислот является ацилкарнитинтрансферазная реакция. Эта реакция ускоряется при повышении уровня свободного карнитина и снижении уровня малонил-СоА — ближайшего интермедиата в процессе синтеза жира. Оба эти условия (повышение уровня карнитина в печени и уменьшение содержания мало- нил-СоА) выполняются при снижении уровня инсулина и в некоторой степени при увеличении содержания глюкагона [15]. Таким образом, кетогенез стимулируется как

повышенным липолизом в жировой ткани, так и активацией процесса -окисления в печени (рис. 10—8).

При повышенной продукции кетоновых тел в печени не обязательно тормозится эстерификация жирных кислот (т. е. образование триглицеридов) или окисление аце- тил-СоА в цикле ТКК. Больше того, на фоне повышенной продукции печенью кетоновых тел образование триглицеридов может даже увеличиться, если резко увеличивается доставка жирных кислот. Вследствие этого при недостаточном компенсированном диабете частой находкой является ожиревшая, перегруженная триглицеридами печень. С другой стороны, при повышенной продукции кетоновых тел в печени синтез жирных кислот из ацетил-СоА не происходит.

Образуемые в печени ацетоацетат и -оксибутират попадают в кровоток и циркулируют в отношении примерно 1:3 соответственно. Циркулирующие кетоновые тела подвергаются окислению в мышечной ткани, а в условиях очень длительного голодания поглощаются и окисляются в ткани мозга [16]. Первый этап распада кетоновых

тел — это окисление -оксибутирата в ацетоацетат. Затем в процессе трансферазной реакции с сукцинил-СоА или с помощью тиокиназы, требующей АТФ, образуется ацето- ацетил-СоА. Последний распадается с образованием двух молекул ацетил-СоА (см. рис. 10—7). Эти реакции происходят в мышце, головном мозге и зародышевой, но не зрелой печени.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЖИРОВОГО И УГЛЕВОДНОГО ОБМЕНА

Конвергенция путей жирового и углеводного обмена на общем интермедиате (ацетил-СоА) и влиянии интермедиатов одного процесса на ферментативные реакции другого обусловливают разнообразие регуляторных взаимоотношений между метаболизмом жиров и углеводов. Эти взаимоотношения наиболее ярко иллюстрируются, вопервых, влиянием повышенной утилизации углеводов на жировой обмен и, во-вторых, влиянием повышенной утилизации жира на углеводный обмен. Наблюдаемые взаимодействия суммированы в табл. 10—2.

При увеличении снабжения углеводами (например, после приема содержащей углеводы пищи) и стимуляции использования

Таблица 10—2. Взаимоотношения между жировым и углеводным обменом

глюкозы меняется жировой обмен в отношении липолиза, синтеза жирных кислот и кетогенеза. Усиление поглощения глюкозы способствует снижению высвобождения жирных кислот из жировой ткани за счет увеличения количества глицерин-3-фосфата. Этот интермедиат, образующийся в процессе гликолиза, обеспечивает реэстерификацию СЖК с образованием триглицеридов. Кроме того, повышение уровня глюкозы в крови стимулирует секрецию инсулина, наиболее мощного ингибитора гормончувствительной липазы в жировой ткани. Таким образом, антилиполитическое действие углеводов опосредуется как самим субстратом, так и гормоном.

Утилизация углеводов способствует также синтезу длинноцепочечных жирных кислот. При приеме с пищей углеводов увеличивается активность ацетил-СоА- карбоксилазы, катализирующей ограничивающий скорость этап этого процесса. Этот эффект опосредуется гормональными изменениями (повышение уровня инсулина), равно как и субстратными изменениями—повышением уровня цитрата, активатора фермента, и уменьшением содержания СЖК, ингибирующих фермент. Утилизация глюкозы по пентозному пути обеспечивает процесс и НАДФ•Н, необходимым для биосинтеза жира.

Утилизация углеводов резко тормозит и кетогенез. Этот эффект опосредуется угнетением липолиза, что снижает уровень жирных кислот для окисления в печени. Кроме того, повышение синтеза жира увеличивает содержание малонил-СоА, ингибирующего ацилкарнитинтрансферазу I. Гормональные изменения, сопровождающие утилизацию углеводов (повышение уровня инсулина, снижение уровня глюкагона), также уменьшают количество свободного карнитина, необходимого для транспорта жирного ацильного производного через митохондриальную мембрану.

При повышении утилизации жира, что происходит при ограничении поступающих с пищей углеводов, при полном голодании и диабете, наблюдаются изменения как в продукции, так и в утилизации глюкозы. Повышенную утилизацию жира и кетогенез обычно сопровождает усиление глюконеогенеза. Механизм, с помощью которого окисление жира стимулирует глюконеогенез, заключается, вероятно, в том, что ацетилСоА аллостерически активирует пируваткарбоксилазу, катализирующую первую стадию глюконеогенеза (см. рис. 10—4). Таким образом, хотя жирные кислоты (если не считать относительно редко встречающиеся производные с нечетным числом углеродных атомов) не могут обеспечить поставку углеродных скелетов для синтеза глюкозы, но их окисление за счет активации фермента все же повышает глюконеогенез.

Увеличение окисления жира сопровождается также торможением синтеза жира из образуемого из глюкозы (или из жирных кислот) ацетил-СоА. Высокий уровень СЖК и гормональные изменения (уменьшение секреции инсулина), сопровождающие снижение уровня углеводов, понижают активность ацетил-СоА-карбоксилазы.

В исследованиях на перфузируемом сердце крысы наблюдали также ингибиторный эффект СЖК на утилизацию глюкозы по гликолитическому и аэробному пути. Утилизация глюкозы тормозилась на стадиях, катализируемых фосфофруктокиназой (ограничивающий скорость фермент гликолиза) и пируватдегидрогеназой — ферментом, необходимым для образования ацетил-СоА из пирувата. Эти взаимоотношения получили название цикла глюкоза — жирные кислоты, подразумевающее, что повышение уровня СЖК в крови препятствует окислению глюкозы [18]. Не совсем ясно, реализуются ли эти взаимоотношения в скелетной мышце человека in vivo. Например, при физической нагрузке усиление утилизации глюкозы происходит на фоне повышения уровня СЖК в крови и ускорения окисления жира сокращающимися мышцами. Тем не менее реципрокные отношения между окислением жира и глюкозы все же могут ограничивать утилизацию последней при физической нагрузке.