Предположим, вы голодаете. Запасы гликогена будут израсходованы в течение первого дня. После этого вы будете жить на запасах жиров. Это вас поддержит. Организм сможет вырабатывать достаточно глюкозы (расщеплением молекул жиров на двууглеродные фрагменты и объединением их по три) для поддержания уровня сахара в крови на надлежащем уровне.
Однако из‑за невозможности расщеплять углеводы в крови начнут накапливаться кетоновые тела (кетоз голодания). Они накопятся в крови (кетонемия) и попадут в мочу (кетонурия).
Это не очень серьезное состояние, оно быстро проходит после приема пищи, содержащей необходимое количество крахмала или сахара. Конечно, если ваша диета будет богата жирами и бедна углеводами, кетоз продолжится. Такая диета носит название кетогенной, то есть «дающей жизнь кетозу».
Более серьезная форма кетоза развивается, когда организм не в состоянии расщеплять углеводы, как при диабете. При нелеченном диабете кетоновые тела накапливаются в крови (диабетический кетоз) в значительно большем количестве, чем у голодающего человека. Они скапливаются в крови быстрее, чем их успевают выводить почки, а поскольку кетоновые тела обладают выраженной кислотностью, то развивается диабетический ацидоз, ведущий к развитию комы и смерти.
Двуфазная система жиров и воды идеально функционирует, как я уже говорил, в тонкой кишке при помощи солей желчных кислот. Однако, оказавшись в крови и клетках, жиры вступают в другую фазу, водную. Как же эти водостойкие жиры проникают в клетки сквозь оболочки? Как они передвигаются в крови? Как исключительно водорастворимые ферменты расщепляют их внутри клетки?
Организму все это удается при помощи еще одного соединения двойного действия, напоминающего триглицериды.
|
|
Триглицериды состоят из глицерина и жирных кислот – это простые липиды. Но представьте себе молекулы, состоящие из глицерина, к которому прикреплены всего две жирных кислоты. Третья гидроксильная группа глицерина присоединена к совершенно иной группе атомов, содержащей кислород, азот и фосфор, каждый из которых создает электрическую полярность молекулы. Из‑за наличия атомов фосфора такие глицериды обычно называют фосфолипидами или фосфатидами.
Фосфолипиды – молекулы двойного действия. Жирная кислота растворяется в жире, а фосфорсодержащая группа – в воде. Это создало предпосылку для возникновения интересной теории, касающейся поведения клеточных мембран.
В мембранах клеток находятся как фосфолипиды, так и белки. Это известно точно. Фосфорсодержащая часть фосфолипидов, растворяясь в воде, вероятно, прочно присоединяется к белкам, также растворимым в воде, оставляя жирные кислоты на свободе.
Таким образом получается, что клеточная мембрана состоит из однородного вещества, возможно, с «водными» участками, через которые могут проходить растворимые в воде соединения, и «липидными» участками для прохождения растворимых в липидах веществ.
Если это так, то теория может объяснить действие различных гормонов. Некоторые из них, например инсулин и гормоны гипофиза, представляют собой естественные белки, растворимые в воде. Другие, например половые гормоны и гормоны коры надпочечников, являются липидорастворимыми веществами. В любом случае их молекулы способны связываться с клеточными мембранами и изменять их проницаемость.
|
|
Внутри клеток также присутствуют фосфолипиды, особенно в маленьких образованиях, расположенных в цитоплазме, в митохондриях. Именно в них углеводы и жиры расщепляются для получения энергии, и мне кажется вполне вероятным, что фосфолипиды помогают взаимодействию растворимых в воде ферментов и растворимых в жирах жирных кислот.
Фосфолипиды составляют всего 1 % или около того в организме. Однако их важность можно показать на следующем примере: организм никогда, ни при каких чрезвычайных обстоятельствах не прикасается к запасу фосфолипидов. Во время голодания организм сначала использует углеводы, затем жиры, а потом начинает жить на запасе белков. Но фосфолипиды остаются нетронутыми, хотя их энергетическая ценность выше ценности белков или углеводов. Вероятно, сжигание даже малой части фосфолипидов вызовет такие нарушения в работе организма, что если он выживет, то это уже будет хорошо.
Из вышесказанного ясно, как фосфолипиды помогают жирорастворимым веществам проникать сквозь клеточные мембраны и как они способствуют переработке этих веществ в клетке. Но как жирорастворимые вещества путешествуют в крови?
В конце предыдущей главы я подчеркнул важность плазменных белков как средства переноса витаминов, гормонов и других веществ с одного места в другое. Но плазменные белки растворяются в воде, поэтому они должны растворяться и в плазме. Как же тогда они переносят жирорастворимые гормоны и витамины?
Так же как фосфолипиды и белки объединяются при помощи фосфорсодержащей группы в фосфолипидной молекуле для создания клеточной мембраны, обладающей двойными свойствами, так же они могут соединяться в крови, образуя молекулу двойного действия. Соединения, образованные фосфолипидами и плазменными белками, называются липопротеинами.
|
|
Растворимые в жирах вещества легко объединяются с липидной частью липопротеинов и с ними переносятся кровью. Белки же растворяются в водной части крови – плазме.
Таким образом, липопротеины, составляющие всего от 3 до 5 % плазменных белков, являются важной частью транспортной системы крови. За последние двадцать лет ученые неожиданно с испугом и восторгом обратили взор к этим веществам, о которых раньше мало знали и роль которых недооценивали.
Чтобы объяснить, почему так произошло, я должен сказать, что одним из важных веществ, растворимых в жирах, является холестерин. Молекула холестерина состоит из четырех колец атомов углерода, ко всем атомам углерода, кроме одного, присоединены исключительно атомы водорода, к одному углероду прикрепляется еще и единственная гидроксильная группа. С ее помощью холестерин может соединяться с жирной кислотой.
В организме более 200 граммов холестерина. Он частично необходим как сырье для образования половых гормонов и гормонов надпочечников, молекулярное строение которых напоминает строение холестерина. Однако для этого требуется совсем мало холестерина.
Большая его часть находится в клеточных мембранах, особенно в липидных оболочках, защищающих нервные волокна. Из‑за них сухое вещество мозга (за исключением водного содержимого) на одну пятую состоит из холестерина.
Зачем там нужен холестерин и почему не подходят другие липиды, пока неясно. Однако, какая бы причина ни была, его присутствие очень важно. В крови холестерин связывается с липопротеинами плазмы.
Липопротеины можно разделить на две основные группы. Одна состоит из относительно маленьких молекул, содержащих фосфоглицериды и небольшое количество холестерина. Это альфа‑липопротеины. Молекулы, принадлежащие к другой группе, более крупные, причиной больших размеров по крайней мере частично является холестерин, так как на него приходится большая часть липидной доли молекулы. Это бета‑липопротеины. («Альфа» и «бета» – первые две буквы греческого алфавита.)
И наконец, мы подходим к самой драматической части. Даже липопротеины не всегда являются идеальным решением проблемы переноса жирорастворимых веществ. В процессе циркуляции крови иногда происходит «отрыв» некоторых веществ. По неизвестной причине это чаще наблюдается у мужчин, чем у женщин, причем у некоторых мужчин чаще, чем у других, причины этого также неизвестны.
Чаще всего от липопротеинов отделяется холестерин, возможно, потому, что он присутствует в крови в довольно большом количестве. После отделения плазма не в состоянии переносить его, и холестерин откладывается на внутренних оболочках кровяных сосудов, где прикрепляется к фосфолипидам. Обычно это происходит в артериях, возможно, из‑за того, что в них кровь течет быстрее всего, поэтому и холестерин легко отрывается.
Когда холестерин покрывает внутреннюю поверхность артерий, он сужает их, что ведет к увеличению давления крови на этом участке сосуда. Более того, холестерин вызывает снижение эластичности артериальных стенок – еще одна опасность их разрыва под возросшим давлением. Но и это не все. Внутренняя поверхность артерии становится грубой и неровной, на ней образуются сгустки крови (о них я буду говорить в последней главе), которые могут полностью заблокировать сосуд. Это состояние называется тромбозом.
Если тромбоз происходит в коронарных артериях, питающих сердце, развивается сердечный приступ. Закупорка мелких артерий мозга приводит к голоданию какого‑либо участка мозга и вызывает инсульт. В том и другом случае возможен летальный исход.
Отложение холестерина на внутренних стенках артерий называется атеросклерозом. Когда человечество при помощи вакцинации, выработки правил гигиены и антибиотиков победило инфекционные заболевания, атеросклероз стал убийцей номер один для жителей западных стран, преимущественно мужчин.
С атеросклерозом нельзя справиться, когда артерии уже заблокированы, но было бы неплохо заранее знать, кто в большей степени подвержен этой болезни, а кто меньше. Лица, принадлежащие к группе риска, могли бы принять меры предосторожности и прожить дольше. Например, они могли бы раньше снизить интенсивность физической нагрузки.
Поскольку львиную долю холестерина переносят бета‑липопротеины, в группу риска могут входить люди, в чьей крови обнаруживается высокое содержание этой группы липопротеинов. Сообщалось, что в крови больных диабетом, которые более других подвержены атеросклерозу, также содержится больше бета‑липопротеинов, чем у здоровых людей.
После Второй мировой войны, когда исследования ученых направлены на мирные цели, начался поиск средств, которые позволяли бы более подробно исследовать липопротеины. Были разработаны новые методы изучения этой группы соединений.
Обычно молекулы белков, хотя они и плотнее воды, не оседают в ней, как частицы песка. Сила притяжения заставляет их опуститься вниз, но, оседая, они сталкиваются с молекулами воды и белков, поэтому находятся во взвешенном состоянии. Частицы песка также сталкиваются с молекулами воды, но они настолько крупны, что слабые удары молекул не ощущают. Однако столкновения с молекулами воды имеют значение для более мелких молекул белков.
Мы могли бы заставить молекулы белка осесть на дно, если бы замедлили движение молекул воды, но это можно сделать, только охладив раствор, который замерзнет задолго до того, как движение молекул воды существенно замедлится.
Альтернативным решением будет увеличение силы тяжести молекул белка. Мы не в состоянии усилить земное притяжение, но можно создать силу, похожую на нее. Если поместить белковый раствор в маленький контейнер и начать быстро вращать его, центробежная сила будет давить на содержимое в направлении от центра вращения. Чем больше скорость вращения, тем мощнее эта сила.
В 1930‑х годах шведский ученый Т. Сведберг создал центрифугу, которая могла вращаться так быстро, что создавала центробежную силу, в сотни тысяч, даже миллионы раз превосходящую силу земного притяжения. Такое устройство получило название ультрацентрифуги. (Слово «центрифуга» произошло от латинского «бегство от центра».)
В ультрацентрифуге молекулы белка, «пробираясь» сквозь молекулы, движутся от центра вращения. Происходит их оседание, или седиментация.
Скорость седиментации отдельной белковой молекулы зависит от ее размера и формы. Изучение поведения белка при ультрацентрифугировании легло в основу метода определения размера белковой молекулы.
Скорость седиментации измеряется в единицах Сведберга, названных так в честь изобретателя ультрацентрифуги, которые обычно обозначаются S20. Число 20 означает, что температура раствора в центрифуге составляет 20 °C.
В ультрацентрифуге липопротеины ведут себя точно так же, как и обычные белки, за одним важным исключением. Обычно плотность липидов составляет от 75 до 80 % от плотности воды. Низкая плотность липидов в составе липопротеинов с избытком компенсирует повышенную плотность белков. Поэтому липопротеины легче воды, и чем больше в них липидов, тем меньше их удельная масса.
Под воздействием ультрацентробежной силы липопротеины движутся не от центра, а к центру вращения. Скорость их всплытия измеряется в отрицательных единицах Сведберга, или в единицах флотации Sf.
Плазменные липопротеины в зависимости от скорости всплытия при ультрацентрифугировании были разделены на фракции. Фракция липопротеинов, всплывающих медленнее всего (Sf 3–8), может различаться у разных людей, но у одного и того же человека она постоянная. На количество липопротеинов в этой фракции не влияет ни характер питания, ни состояние здоровья.
Самого пристального внимания заслуживает фракция Sf 12–20. Именно ее связывают с возникновением атеросклероза. Если доля липопротеинов в этой фракции у человека высока, увеличивается риск его заболевания атеросклерозом.
Возникает вопрос: можно ли снизить количество липопротеинов Sf 12–20? Существует ли какая‑то особая диета? Кажется, что мы не должны употреблять холестерин вовсе, потому что именно в этой фракции холестерина содержится особенно много и именно он причиняет наибольший вред внутренней оболочке артерий. Но к сожалению, организм может легко сам вырабатывать холестерин, и даже при низкохолестериновой диете, когда из нее исключаются масло, яйца и животный жир, уровень липопротеинов фракции Sf 12–20 может сохраняться высоким.
Пока решение проблемы не найдено. Ученые интенсивно работают в этом направлении, поэтому посмотрим, что произойдет в течение нескольких следующих лет.
Глава 13