Обмен углеводов
В пищеварительном тракте конечными продуктами переваривания углеводов являются глюкоза, фруктоза и галактоза. Основной углевод, циркулирующий в крови — глюкоза [нормальный уровень глюкозы в плазме венозной крови — 70–110 мг% (3,9–6,1 ммоль/л), артериальной крови — на 15–20 мг% выше].
· Транспорт глюкозы через клеточную мембрану. Глюкоза присоединяется к белкам-переносчикам, которые транспортируют глюкозу через клеточную мембрану внутрь клетки посредством облегченной диффузии. Главный активатор трансмембранного переноса глюкозы — инсулин. Количество глюкозы, которое может поступить в клетки без инсулина (за исключением печени и мозга) слишком мало, чтобы обеспечить энергией нормальный уровень метаболизма. Под влиянием инсулина скорость и количество глюкозы, транспортируемой через клеточные мембраны, значительно возрастают.
· Фосфорилирование глюкозы. Поступившая в клетки глюкоза фосфорилируется ферментом глюкокиназой. Фосфорилирование глюкозы — процесс необратимый, за исключением клеток печени, эпителия почечных трубочек и эпителиальных клеток кишечника. В этих клетках имеется специальный фермент фосфатаза, способная реверсировать реакцию фосфорилирования. Следовательно, в большинстве клеток глюкоза не может диффундировать наружу.
· Накопление гликогена и гликогенолиз. После поступления в клетки глюкоза сразу же используется для образования энергии или накапливается в виде гликогена (большой полимер из молекул глюкозы). Все клетки тела способны запасать некоторое количество гликогена, но только гепатоциты, скелетные мышечные волокна и кардиомиоциты могут депонировать большие запасы гликогена. Большие гликогеновые молекулы преципитируются в форме плотных гранул. Процесс образования гликогена — гликогенез. Гликогенолиз — процесс расщепления гликогена с образованием глюкозы. Гликогенолиз — не реверсия гликогенеза, так как отщепление молекулы глюкозы от гликогена осуществляется ферментом фосфорилазой. В состоянии покоя этот фермент находится в неактивированном состоянии. Активация фосфорилазы происходит под влиянием адреналина и глюкагона.
· Выделение энергии из глюкозы. При полном окислении одной молекулы глюкозы выделяется 686 тыс. калорий энергии и только 12 тыс. калорий необходимо для образования одной молекулы АТФ. Однако клетки содержат множество ферментов, которые вызывают постепенное расщепление молекулы глюкозы на многих последовательных этапах. Энергия в процессе утилизации глюкозы выделяется небольшими порциями в форме одной молекулы АТФ за один период. В итоге из каждой молекулы глюкозы может образоваться 38 молекул АТФ, из них 2 в ходе гликолиза, 2 в цикле лимонной кислоты и 34 при окислительном фосфорилировании. Таким образом, из общего количества энергии в 686 тыс. калорий, могущих выделиться при полном окисления молекулы глюкозы 456 тыс. калорий депонируется в форме АТФ, т.е. общее количество энергии, используемой на нужды организма, составляет 66%. Остающиеся 34% переходят в тепло.
à Гликолитическое выделение энергии. В ходе гликолиза из одной молекулы глюкозы образуется две молекулы пировиноградной кислоты и две молекулы АТФ. Другими словами, 24 000 калорий запасается в форме АТФ. Общее же количество энергии, выделяющейся из исходной молекулы глюкозы, составляет 56 000 калорий. Следовательно, эффективность гликолиза в процессе образования АТФ составляет 43%. Остающиеся 57% энергии теряются в форме тепла.
Образовавшиеся во время гликолиза 2 молекулы пировиноградной кислоты превращаются в 2 молекулы ацетилкоэнзима A. Во время этой реакции выделяются 2 молекулы углекислого газа и 4 атома водорода. В процессе последующего распада глюкозы в цикле лимонной кислоты каждая молекула глюкозы образует ещё 2 молекулы АТФ. Последующие химические реакции связаны с распадом ацетильной части ацетилкоэнзима A на атомы водорода и углекислоту. Эти реакции происходят в матриксе митохондрий.
à Образование энергии окислением водорода. В реакциях гликолиза и в цикле лимонной кислоты образуется всего 4 молекулы АТФ. Почти 95% общего количества АТФ формируется в результате окисления атомов водорода, которые выделяются на начальных стадиях расщепления глюкозы.
Ú Процесс окислительного фосфорилирования в конечном итоге превращает атомы водорода в водородные ионы и электроны. Электроны соединяются с растворённым в жидкости кислородом и образуют гидроксильные ионы. Водород и гидроксильные ионы, соединяясь друг с другом, образуют воду. Во время этих последовательных окислительных реакций выделяется большое количество энергии в форме АТФ. Окислительное фосфорилирование осуществляется в митохондриях путём высокоспециализированного процесса, называемого хемоосмотическим механизмом.
Ú Электроны удаляются из водородных атомов, поступают в электронную транспортную цепочку, состоящую из серии акцепторов электронов, которые способны обратимо окислять или восстанавливать электроны. В транспортной цепочке задействовано много сложных соединений (флавопротеины, сульфопротеины, цитохромы и др.), и каждый электрон челночно передаётся от одного акцептора к другому, пока не достигнет последнего акцептора, называемого цитохромоксидазой. Цитохромоксидаза посредством двух электронов способна соединять кислород с водородными ионами, образуя воду.
Ú Во время движения электронов по электронной транспортной цепочке выделяется энергия, и она используется для синтеза АТФ. Водородные ионы проходят в митохондриальный матрикс через молекулу фермента АТФ-синтетазы, которая использует их энергию для превращения АДФ в АТФ. На каждые 2 ионизированных водородных атома синтезируется 3 молекулы АТФ.
à Анаэробное выделение энергии. Возникают случаи, когда кислород недоступен, или его слишком мало для клеточных процессов окисления глюкозы. В этих условиях небольшие количества энергии могут быть выделены в клетках путём гликолиза, поскольку химические реакции расщепления глюкозы до пировиноградной кислоты не нуждаются в кислороде. Процесс анаэробного гликолиза расточителен, так как для образования АТФ на каждую молекулу глюкозы используется 24 000 калорий. Это составляет немногим более 3% общей энергии молекулы глюкозы, но выделение этого количества энергии бывает достаточно, чтобы сохранить жизнь в течение нескольких минут, когда кислород недоступен. Образование молочной кислоты во время анаэробного гликолиза позволяет выделять некоторое дополнительное количество энергии.
· Регуляция расщепления глюкозы. Гликолиз и окислительное фосфорилирование — процессы регулируемые. Оба процесса постоянно контролируются в соответствии с потребностями клеток в АТФ. Этот контроль имеет отношение к механизмам обратной связи между концентрациями АТФ и АДФ. Одним из элементов контроля энергии является ингибирующее влияние АТФ на ферментативные процессы, протекающие на начальных этапах гликолиза. Излишки АТФ останавливают гликолиз с последующим торможением углеводного метаболизма. АДФ же, напротив, повышает активность гликолитических процессов. Как только АТФ используется тканями, ингибирующее влияние АТФ на ферменты гликолиза уменьшается. Одновременно с этим возрастает активность ферментов вследствие формирования АДФ. Когда клеточные запасы АТФ вновь переполняются, ферментативные процессы замедляются.
· Глюконеогенез. Когда запасы углеводов в организме становятся ниже нормального уровня, то умеренное количество глюкозы может образовываться из аминокислот и из глицериновой части жиров в процессе глюконеогенеза. Приблизительно 60% аминокислот в белках организма могут легко превращаться в углеводы. Низкий уровень углеводов в клетках и уменьшение содержания глюкозы в крови — главные стимулы увеличения интенсивности глюконеогенеза.
Обмен жиров
К липидам относятся нейтральные жиры (триглицериды), фосфолипиды и холестерин. Химическая основа большей части липидов —жирные кислоты — длинные цепи гидрокарбоновых органических кислот. Три жирных кислоты (стеариновая, пальмитиновая и олеиновая) обязательно входят в состав триглицеридов. Холестерин не содержит жирных кислот, но его стероидное ядро образовано из продуктов расщепления жирных кислот, и холестерин по своим физическим и химическим свойствам напоминает другие липидные вещества. Триглицериды используются в организме для обеспечения энергией различных метаболических процессов. Некоторые липиды (в особенности холестерин, фосфолипиды и продукты распада этих веществ) участвуют в различных внутриклеточных функциях.
· Транспорт липидов. Практически все жиры, поступающие с пищей, абсорбируются в лимфу в форме хиломикронов — мельчайших жировых частиц, заключённых в жировую оболочку. Хиломикроны поступают в грудной проток и оттуда в венозную кровь. Хиломикроны удаляются из плазмы, когда они проходят по капиллярам жировой ткани и печени. Мембраны гепатоцитов и жировых клеток содержат липопротеиновую липазу. Этот фермент расщепляет триглицериды хиломикронов на жирные кислоты и глицерин. Жирные кислоты немедленно диффундируют в клетки, где вновь ресинтезируются в триглицериды. Для того чтобы жир, запасённый в жировых клетках, мог своевременно использоваться в организме, он должен поступить в другие ткани в виде свободных жирных кислот. Покидая жировые клетки, жирные кислоты в плазме крови ионизируются и образуют соединения с альбумином. Жирные кислоты, прикреплённые к белкам таким способом, называют свободными жирными кислотами.
· Липопротеины. В печени образуются липопротеины — частицы значительно меньшего размера, чем хиломикроны, но имеющие тот же состав. Липопротеины содержат смесь триглицеридов, фосфолипидов, холестерина и белков. Различают три класса липопротеинов.
à Липопротеины очень низкой плотности (ЛПОНП), содержащие высокую концентрацию триглицеридов и умеренную концентрацию фосфолипидов и холестерина.
à Липопротеины низкой плотности (ЛПНП), содержащие немного триглицеридов и очень много холестерина.
à Липопротеины высокой плотности (ЛПВП), содержащие 50% белков с небольшим содержанием липидов.
Основная функция липопротеинов — транспорт липидов в различные ткани организма. Триглицериды синтезируются в печени, главным образом, из углеводов, и доставляются в жировую и другие ткани в форме ЛПОНП. ЛПНП образуются из остатков ЛПОНП, когда ЛПОНП передадут основную массу триглицеридов в жировую ткань, оставив большие концентрации холестерина и фосфолипидов в ЛПНП. ЛПВП транспортируют холестерин из периферических тканей в печень. Этот тип липопротеинов играет очень важную роль в предотвращении развития атеросклероза.
· Депонирование жиров. Большое количество жиров накапливается в жировой ткани. Первая функция жировой ткани — накопление триглицеридов для энергетических нужд организма. Вторая функция жировой ткани — обеспечение теплоизоляции тела. Адипоциты жировой ткани способны запасать почти чистые триглицериды в количестве 80–95% их объёма. В жировой ткани имеется большое количество липаз. Некоторые из этих ферментов катализируют расщепление триглицеридов, поступивших из хиломикронов и других липопротеинов. Другие липазы активируются гормонами и вызывают расщепление триглицеридов в жировых клетках, приводя к выделению свободных жирных кислот. Так как жирные кислоты обмениваются очень быстро, то триглицериды в жировых клетках обновляются через каждые 2–3 нед, делая жировую ткань очень динамичной.
· Печень и жировой обмен. Печень содержит много триглицеридов, фосфолипидов и холестерина. Во время голодания большое количество триглицеридов извлекается из жировой ткани и поступает в печень, где подвергается процессам расщепления. В норме количество триглицеридов в печени определяется скоростью использования липидов для продукции энергии. Функция печени в жировом обмене многозначна. Печень осуществляет: Ú преобразование жирных кислот в небольшие соединения, пригодные для образования энергии; Ú синтез триглицеридов из углеводов и белков; Ú синтез холестерина, фосфолипидов и других соединений из жирных кислот.
· Использование триглицеридов для образования энергии. Первой стадией использования триглицеридов для энергии является гидролиз триглицеридов на жирные кислоты и глицерин. Жирные кислоты и глицерин доставляются в ткани, где они окисляются, выделяя энергию. Почти все клетки организма, исключая ткань мозга, могут использовать жирные кислоты в качестве источника энергии практически в неизменном виде. В клетках происходит транспорт жирных кислот в митохондрии с помощью вещества-переносчика карнитина. Проникнув в митохондрии, жирные кислоты отсоединяются от переносчика, расщепляются и окисляются.
· Образование триглицеридов из углеводов. В тех случаях, когда количество углеводов, поступающих в организм, больше, чем они могут быть немедленно использованы для образования энергии или запасены в виде гликогена, излишки углеводов превращаются в триглицериды и накапливаются в жировой ткани. В основном триглицериды синтезируются в печени, но некоторое количество их создаётся в адипоцитах.
à Первый шаг превращения углеводов в жирные кислоты — трансформация углеводов в ацетилкоэнзим A; этот процесс происходит в условиях нормального расщепления глюкозы в гликолитической системе. Далее жирные кислоты в виде больших полимеров ацетильной части коэнзима соединяются с глицерином и образуют триглицериды. Момент соединения жирных кислот с глицерином находится под контролем продукта расщепления глюкозы — глицерофосфата. Когда углеводы образуют много глицерофосфата, то равновесие системы смещается в сторону синтеза и накопления триглицеридов. Если углеводов недостаточно, то процесс идёт в противоположном направлении, и излишки жирных кислот способны возмещать недостаток углеводного метаболизма.
à Синтез жиров из углеводов важен для организма в том отношении, что многие клетки имеют ограниченные возможности для накопления углеводов в форме гликогена. В среднем человек имеет в 200 раз больше энергии, запасённой в форме жиров, чем в форме углеводов. Каждый грамм жира содержит в 2,5 раза больше калорий, чем 1 г гликогена.
· Образование триглицеридов из белков. Различные аминокислоты могут превращаться в ацетилкоэнзим A с последующим переходом в триглицериды. Когда с пищей поступает белков намного больше, чем они могут быть использованы непосредственно как белки или как прямой источник энергии, они трансформируются и накапливаются в виде жиров.
· Гормональная регуляция жирового обмена. На процессы утилизации жира воздействует несколько гормонов.
à Адреналин и норадреналин увеличивают утилизацию жира во время интенсивной мышечной работы. Эти гормоны активируют гормон–чувствительные триглицеридные липазы, находящиеся в жировых клетках. Происходит быстрое расщепление триглицеридов и высвобождение жирных кислот. Различного рода стрессорные факторы, возбуждающие симпатическую систему, оказывают аналогичное воздействие.
à Кортикотропин (АКТГ), выделяемый передней долей гипофиза в ответ на стресс, стимулирует секрецию в корковом слое надпочечников глюкокортикоидов (кортизола). Кортизол и кортикотропин активируют гормон–чувствительную триглицеридную липазу, которая увеличивает выход жиров из жировой ткани.
à Гормон роста оказывает эффект, подобный действию АКТГ и кортизола, но выраженный в меньшей степени.
à Снижение концентрации инсулина активирует гормон–чувствительную липазу и вызывает быструю мобилизацию жирных кислот.
à Гормоны щитовидной железы вызывают быстрое высвобождение жирных кислот.
· Фосфолипиды. Различают три основных типа фосфолипидов: лецитины, кефалины и сфингомиелины. Фосфолипиды участвуют в образовании структурных элементов (главным образом мембран) и входят в состав липопротеинов крови. Тромбопластин, вещество необходимое для свёртывания крови, состоит из кефалинов. В нервной системе находится большое количество сфингомиелинов. Эти вещества действуют как изоляторы в миелиновой оболочке, окружающей нервные волокна.
· Холестерин входит в состав пищевых продуктов, в ЖКТ он всасывается и поступает в лимфу. Дополнительно к экзогенному холестерину, который каждый день абсорбируется из ЖКТ, большое количество эндогенного холестерина образуется в клетках. Эндогенный холестерин, циркулирующий в форме липопротеинов плазмы, образуется в печени. Холестерин входит в состав клеточных мембран. До 80% всего холестерина превращается в печени в холевую кислоту. Холевая кислота, соединяясь с другими веществами, образует жёлчные соли, которые способствуют пищеварению и абсорбции жиров. Холестерин используется в синтезе гормонов коркового слоя надпочечников (минерало– и глюкокортикоиды), яичника (эстроген и прогестерон), яичек (тестостерон).
· Атеросклероз — заболевание крупных и средних артерий, при котором липиды, называемые атеросклеротическими бляшками, появляются в интиме и под интимой артериальных сосудов. Эти бляшки содержат большое количество холестерина и связаны с дегенеративными изменениями сосудистой стенки. В поздних стадиях болезни фибробласты инфильтрируют дегенеративные области и вызывают прогрессирующий склероз артерий. В возникновении атеросклероза велика роль ЛПНП, содержащих много холестерина и триглицеридов. Печень, в которой образуются все липопротеины, обладает специальной системой обратного захвата липопротеинов из крови. Рецепторы присоединяют к себе липопротеины, транспортируют их в гепатоциты, где липопротеины распадаются на холестерин и триглицериды. Если имеется врождённая недостаточность рецепторов, то ЛПНП не перестраиваются и вызывают значительное накопление холестерина в тканях и стенке сосудов. ЛПВП обладают способностью удалять холестерин из тканей. При высоком содержании ЛПВП значительно уменьшается опасность развития атеросклероза.
Питание
Цель физиологии питания — определение качественного и количества состава пищи для обеспечения здоровья и работоспособности. Стабильность массы тела и его состава в течение продолжительного времени нуждаются в балансе между потребляемой и выделяемой человеком энергией. Поскольку разнообразные виды пищи содержат разные пропорции белков, углеводов, жиров, минералов и витаминов, должен быть установлен необходимый баланс для снабжения различных метаболических систем организма соответствующими питательными веществами.