Funktsional'naia_biokhimiia

51

постоянным 4-6 мМ (0,8-1,0 г/л) благодаря тонкой регуляции процессов ее поступления и потребления. Глюкоза поступает из кишечника (за счет переваривания пищи), печени и почек. При этом печень выполняет функцию «глюкостата»: в фазе резорбции глюкоза поступает в печень из крови и накапливается в виде гликогена. При дефиците глюкозы (фаза пострезорбции, голодание) печень, напротив, поставляет глюкозу, которая образуется за счет процессов гликогенолиза и глюконеогенеза.

Печень обладает свойством синтезировать глюкозу из других сахаров, например фруктозы и галактозы, или из других продуктов промежуточного метаболизма. Превращение лактата в глюкозу в цикле Кори и аланина в глюкозу в цикле аланина играет особую роль в обеспечении эритроцитов и мышечных клеток.

Необходимыми условиями активного углеводного обмена в печени является обратимый транспорт сахаров через плазматическую мембрану гепатоцитов (при отсутствии контроля инсулином) и наличие фермента глюкозо-6-фосфатазы, высвобождающего глюкозу из глюкозо-6-фосфата.

Синтез глюкозы de novo (до 250 г в сутки) происходит в основном в печени. Процесс глюконеогенеза может идти и в почках, однако из-за небольших размеров почек их вклад в синтез глюкозы составляет всего 10%.

Глюконеогенез контролируется гормонами. Кортизол, глюкагон и адреналин стимулируют этот процесс, а инсулин, напротив, подавляет.

При глюконеогенезе в печени наиболее важными субстратами являются лактат, поступающий из мышечной ткани и эритроцитов, аминокислоты из желудочно-кишечного тракта (глюкогенные аминокислоты) и мышц (аланин), а также глицерин из жировых тканей. В почках в качестве субстрата служат главным образом аминокислоты.

Жирные кислоты и другие источники ацетил-КоА не могут использоваться в организме млекопитающих для биосинтеза глюкозы, поскольку ацетил-КоА, образующийся при β-окислении в цитратном цикле, полностью окисляется до СО2, в то время как в глюконеогенезе исходным продуктом является оксалоцетат.

В печени происходит метаболизм фруктозы и галактозы. Метаболизм фруктозы осуществляется превращением ее в глюкозу (рис. 3.1). Вначале фруктоза фосфорилируется при участии фермента кетогексокиназы (фруктокиназы) (1) с образованием фруктозо-1-фосфата, который далее расщепляется альдолазой до глицеральдегида (глицераля) и дигидроксиацетон-3-фосфата (2). Последний уже является промежуточным продуктом гликолиза (в центре схемы), а глицераль фосфорилируется в присутствии триокиназы, образуя глицераль-3-фосфат (3).

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

52

Рисунок 3.1. – Метаболизм фруктозы и галактозы в печени

Затем глицеральдегид частично восстанавливается до глицерина (4) или окисляется до глицерата. После фосфорилирования оба соединения вновь включаются в гликолиз (на схеме не приведено). При восстановлении глицеральдегида (4) расходуется НАДН (NADH). Поскольку при конверсии этанола лимитирующим фактором является низкое соотношение концентраций НАД+/НАДН (NAD+/NADH). Этот процесс ускоряется в присутствии фруктозы.

Кроме того, в печени реализуется полиольный путь трансформации фруктозы в глюкозу (на схеме не приведен): фруктоза за счет восстановления С-2 превращается в сорбит, а при последующем дегидрировании С-1 – в глюкозу.

Метаболизм галактозы также начинается с фосфорилирования с образованием галактозо-1-фосфата (5) (на схеме справа). Далее следует эпимеризация С-4 с образованием производного глюкозы. Биосинтез УДФглюкозы (UDP-глюкозы), промежуточного продукта обмена глюкозы, осуществляется обходным путем – через УДФ-галактозу (UDP-галактозу) и последующую эпимеризацию (6, 7). По такому же пути идет биосинтез самой галактозы, поскольку все реакции за исключением (5) обратимы.

Важнейшую роль печень играет в регуляции синтеза и распада гликогена. Использование запасенного гликогена начинается с действия гликогенфосфорилазы, отщепляющей от гликогена молекулы глюкозо-1-

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

53

фосфата. Регуляция гликогенфосфорилазы – весьма поучительный пример ферментативной регуляции. Для данного фермента одного из первых было обнаружено наличие аллостерической регуляции, и для него впервые было показано, как активность может контролироваться путем обратимого фосфорилирования.

В конце 1930-х гг. Карл и Герти Кори открыли две взаимопревращающиеся формы мышечной гликогенфосфорилазы: каталитически активную гликогенфосфорилазу а и менее активную гликогенфосфорилазу b (рис. 3.2). Исследования, проведенные позднее Эрлом Сазерлендом, показали, что в мышцах в состоянии покоя преобладает фосфорилаза b, а при активной мышечной деятельности гормон адреналин дает команду фосфорилирования специфического остатка Ser в молекуле фосфорилазы b, в результате чего она превращается в более активную фосфорилазу а.

Рисунок 3.2. – Краткая схема регуляции гликогенфосфорилазы

Фермент (киназа фосфорилазы b), ответственный за активацию фосфорилазы путем переноса фосфорильной группы на остаток Ser, активируется адреналином или глюкагоном в серии реакций. Сазерленд открыл вторичный мессенджер сАМР, концентрация которого увеличивается при стимуляции адреналином (в мышцах) или глюкагоном (в печени). Повышенная концентрация сАМР инициирует ферментативный каскад – один катализатор активирует другой, а тот в свою очередь, активирует третий. Каскадный механизм позволяет значительно усилить первоначальный сигнал. Увеличение концентрации сАМР активирует сАМРзависимую протеинкиназу, иначе называемую протеинкиназой А (РКА).

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

54

Затем РКА фосфорилирует и активирует киназу фосфорилазы b, которая катализирует фосфорилирование остатка Ser в каждой из двух идентичных субъединиц гликогенфосфорилазы, что приводит к активации фермента и стимулирует разложение гликогена. В мышцах этот процесс способствует получению энергии для гликолиза, необходимого для поддержания активности мышц в реакции «борьбы или бегства», сигналом которой служит адреналин.

Разложение гликогена и образование глюкозы в печени направлено против снижения уровня глюкозы крови – сигналом служит глюкагон. Различие функций адреналина и глюкагона нашло свое отражение в тонких деталях механизмов регуляции ферментов в мышцах и печени. Гликогенфосфорилазы мышц и печени – изоферменты, они кодируются разными генами и имеют собственные особенности регуляции.

Гликогенфосфорилаза из печени подвержена как гормональной (путем фосфорилирования и дефосфорилирования), так и аллостерической регуляции. Дефосфорилированная форма фермента практически неактивна. При очень низком уровне глюкозы крови глюкагон активирует киназу фосфорилазы b, что превращает ее в активную форму а и способствует поступлению в кровь глюкозы. При возвращении уровня глюкозы крови к норме глюкоза проникает в гепатоциты и связывается с ингибиторным аллостерическим центром молекулы фосфорилазы а. Это связывание также приводит к конформационным изменениям, в результате которых фосфорилированные остатки Ser становятся доступными для действия РР1, которая катализирует их дефосфорилирование и инактивирует фосфорилазу (рисунок 3.3.). Наличие аллостерического центра связывания глюкозы позволяет печеночной форме гликогенфосфорилазы действовать в качестве сенсора глюкозы и соответствующим образом реагировать на изменения уровня глюкозы крови.

Рисунок 3.3. – Гликогенфосфорилаза печени как сенсор глюкозы

Подобно гликогенфосфорилазе, гликогенсинтаза может существовать в фосфорилированной и дефосфорилированной формах. Активная форма этого фермента – гликогенсинтаза а – не фосфорилирована. Фосфорилирование гидроксильных групп некоторых остатков Ser в обеих субъединицах фермента превращает гликогенсинтазу а в гликогенсинтазу b, которая проявляет активность только в присутствии своего аллостерического

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

55

активатора глюкозо-6-фосфата. Интересно, что фосфорилирование различных остатков гликогенсинтазы могут осуществлять 11 различных протеинкиназ. Наиболее важную роль в регуляции играет киназа 3 гликогенсинтазы (GSK3),присоединяющая фосфатные группы к трем остаткам серина вблизи С-конца молекулы гликогенсинтазы, что полностью инактивирует фермент. Действие GSK3 подчиняется определенной иерархии: она не может осуществлять фосфорилирование до тех пор, пока расположенный поблизости остаток гликогенсинтазы не будет фосфорилирован (праймирован) ферментом казеинкиназой II.

В печени происходят важнейшие процессы координации метаболизма углеводов. Рассмотрим данный вопрос подробнее.

После приема богатой углеводами пищи происходит повышение уровня глюкозы крови, что приводит к высвобождению инсулина (верхняя часть рисунок 3.4.).

Рисунок 3.4. – Регуляция метаболизма углеводов в печени

В гепатоцитах инсулин немедленно оказывает два действия: инактивирует GSК3 и активирует протеинфосфатазу, возможно, РР1. Эти два действия полностью активируют гликогенсинтазу. Кроме того, путем

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

56

дефосфорилирования РР1 инактивирует гликогенфосфорилазу а и киназу фосфорилазы, что останавливает разложение гликогена. Глюкоза поступает в гепатоциты с помощью GLUТ2, который всегда присутствует в плазматической мембране; повышенный уровень внутриклеточной глюкозы приводит к диссоциации гексокиназы IV (глюкокиназы) из комплекса с ядерным белком. Гексокиназа IV проникает в цитозоль и фосфорилирует глюкозу, стимулируя гликолиз и поставляя субстрат для синтеза гликогена. В таких условиях гепатоциты используют глюкозу крови для синтеза гликогена, количество которого может достигать 10% общей массы печени.

Между приемами пищи или в период продолжительного голодания падение уровня глюкозы крови приводит к высвобождению глюкагона, который активирует РКА. РКА опосредует все эффекты, оказываемые глюкагоном (нижняя область рисунок 3.4.) – фосфорилирует киназу фосфорилазы, активируя ее и приводя к активации гликогенфосфорилазы; фосфорилирует гликогенсинтазу, инактивируя ее и блокируя синтез гликогена; она фосфорилирует белок с активностью РFК-2/ТВРазы-2, что приводит к снижению концентрации фруктозо-2,6-бисфосфата, а это выражается в свою очередь в инактивации фермента гликолиза РРК-1 и активации фермента глюконеогенеза РВРазы-1; наконец, РКА фосфорилирует и инактивирует гликолитический фермент пируваткиназу. При таких условиях в результате распада гликогена и глюконеогенеза в печени происходит образование глюкозо-6-фосфата, прекращается использование глюкозы для обеспечения энергией гликолиза или для синтеза гликогена, и все это увеличивает количество глюкозы, поступающей из печени в кровь.

Подобное высвобождение глюкозы возможно только в печени, поскольку в других тканях отсутствует глюкозо-6-фосфатаза.

3. Особенности липидного обмена в печени.

Печень является главным местом синтеза жирных кислот, жиров, кетоновых тел и холестерина. Жиры могут также синтезироваться в жировой ткани, однако ее основной функцией остается депонирование липидов.

Обмен липидов в печени тесно связан с превращением углеводов и аминокислот. При поступлении питательных веществ в фазе резорбции глюкоза через промежуточное образование ацетил-КоА конвертируется в жирные кислоты. Печень может также извлекать жирные кислоты из липопротеинов, поступающих из желудочно-кишечного тракта (в виде хиломикронов) и других тканей. Жирные кислоты используются для биосинтеза триглицеринов и фосфолипидов. При связывании жиров с аполипопротеинами образуются липопротеиновые комплексы очень низкой плотности (ЛОНП). Они попадают в кровь и переносятся в другие ткани, прежде всего в жировую и мышечную ткань.

В фазе пострезорбции, особенно в период поста или голодания, обмен липидов идет в обратном направлении, организм обращается к собственным

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

57

запасам. В этих условиях жиры поступают из жировой ткани в кровь, переносятся в печень, распадаются в результате β-окисления до ацетил-КоА и, наконец, превращаются в кетоновые тела.

Холестерин поступает в организм из двух источников – с пищей и за счет эндогенного синтеза, причем большая часть холестерина синтезируется в печени. Биосинтез холестерина начинается с ацетил-КоА. Полученный холестерин используется в синтезе желчных кислот, встраивается в клеточные мембраны, депонируется в жировых каплях в составе эфиров жирных кислот. Остальная часть поступает в кровь в составе липопротеиновых комплексов и переносится в другие ткани. Печень способствует обмену холестерина благодаря тому, что служит местом, куда поступают с кровью и где подвергаются расщеплению липопротеиновые комплексы, содержащие холестерин и его эфиры с жирными кислотами.

Схематично обмен липидов представлен на рис. 3.5.

Рисунок 3.5. – Обмен липидов

В печени происходит образование кетоновых тел (рисунок 3.6.). При высокой концентрации ацетил-КоА в митохондриях гепатоцитов происходит конденсация двух молекул ацетил-КоА с образованием ацетоацетил-КоА (1). Присоединение еще одной ацетильной группы (2) приводит к 3-гидрокси-З- метилглутарил-КоА (ГМГ-КоА) (3), который после отщепления ацетил-КоА превращается в ацетоуксусную кислоту (ацетоацетат) (цикл Линена). При восстановлении последней получается 3-гидроксибутират (4), а при неферментативном декарбоксилировании – ацетон (5). Все три соединения

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

58

принято называть «кетоновыми телами», что не совсем правильно, поскольку в 3-гидроксимасляной кислоте отсутствует кетогруппа.

Рисунок 3.6. – Обмен кетоновых тел в печени

Кетоновые тела поступают из печени в кровь, где они хорошо растворимы. Концентрация кетоновых тел в крови возрастает в фазе пострезорбции (фаза голодания). Наряду с жирными кислотами 3- гидроксибутират и ацетоацетат в этот период являются основными энергоносителями. Ацетон, не имеющий метаболической ценности, удаляется через легкие. После 1-2 недели голодания кетоновые тела начинают использоваться в качестве источника энергии нервными тканями. Однако при этом для обеспечения цитратного цикла необходимо минимальное количество глюкозы.

Если биосинтез кетоновых тел превышает потребности организма, они накапливаются в крови (кетонемия) и, наконец, выводятся с мочой (кетонурия). Оба феномена наблюдаются во время длительного голодания (углеводная недостаточность) и при заболеваний диабетом. Хотя 3- гидроксимасляная кислота является слабой кислотой (рКа примерно 4), возрастание концентрации кетоновых тел вызывает изменение рН в крови (кетоацидоз). Кетонурия и кетоацидоз могут быстро привести к электролитному сдвигу (нарушению ионного гомеостаза) и потери сознания (кетоацидозной коме) и, следовательно, опасны для жизни.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

59

4.Характеристика обмена аминокислот и белков в печени. Участие в обмене азотистых оснований нуклеиновых кислот.

Печень использует АК, поступающие из пищеварительного тракта для синтеза собственных белков, но большая их часть идет на синтез белков плазмы крови. В печени синтезируются фибриноген, альбумины, α- и βглобулины и липопротеиды. В печени синтезируется также т.н. лабильный резервный белок, который является как бы запасом аминокислот, которые затем могут использоваться различными органами и тканями по мере необходимости. Печень занимает центральное место в обмене аминокислот, т.к. в ней активно протекают процессы их химической модификации.

Печень играет центральную роль в поддержании азотистого баланса в организме, так как регулирует процессы утилизации азотистых веществ и выделение их метаболитов из организма. В печени протекают основные анаболические и катаболические процессы аминокислот (переаминирование, дезаминирование, декарбоксилирование). Только в печени синтезируются белки свертывающей (протромбин, фибриноген, проконвертин, проакцелерин) и антисвертывающей системы (кроме плазминогена). Печень является единственным органом синтеза альбуминов, церулоплазмина, трансферрина, ангиотензиногена. Печень обеспечивает через кровь другие органы сбалансированной смесью незаменимых и заменимых аминокислот, необходимых для биосинтеза их собственных белков. В печени синтезируются многие азотсодержащие вещества небелковой природы (креатин, холин, мочевая кислота, индикан, гем и др.), биологически активные пептиды (глутатион, карнозин, анзерин), а также происходит биосинтез и распад пуриновых и пиримидиновых азотистых оснований. Только в печени происходит образование мочевины – основной путь обезвреживания аммиака в организме.

5.Роль печени в поддержании водно-солевого равновесия. Участие

вобмене витаминов.

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

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

60

переноса в плазме крови только ионов железа. Данный белок необходим для эмбрионального клеточного роста в период формирования печени. В печени ион Zn включается 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 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).

Как липо-, так и большинство гидровитаминов при избыточном поступлении в организм способны депонироваться в печени. В гепатоцитах большая часть натуральных алиментарных компонентов активируется:

а) путём фосфорилирования; например: витамин В1 – в тиаминдифосфат (ТДФ); В6 – в фосфопиридоксамин или фосфопиридоксаль

(ФП);

б) включаясь в нуклеотиды: витамин РР в НАД+, НАДФ; рибофлавин в ФМН, ФАД; пантотеновая кислота в кофермент ацилирования (НS-КоА);

в) витамин D, гидроксилируясь;

г) каротины под действием каротиндиоксигеназы преобразуются в витамин А;

д) за счёт реакций гидрирования фолиевая кислота превращается в тетрагидрофолиевую кислоту (ТГФК); реакция восстановления используется

идля реактивации витамина С.

Впечени осуществляется синтез специфических белков, транспортирующих витамины в плазме крови к органам-мишеням. Комплекс витамин-транспортный белок обеспечивает растворимость липовитамина в биологической жидкости и предупреждает преждевременное проявление активности витамина, а также затрудняет выделение его через почечный фильтр. Катаболическая фаза обмена многих витаминов завершается в печени. Продукты биотрансформации жирорастворимых витаминов,

витамина В12 выделяются из организма в составе жёлчи через желудочнокишечный тракт.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ