23.5. Метаболические особенности основных органов

Метаболизм в мозгу, мышцах, жировой ткани и печени сильно различается. Рассмотрим различия между этими органами в отношении использования богатых энергией молекул.

1. Мозг. Глюкоза - практически единственный источник энергии в мозгу человека., за исключением условий продолжительного голодания. В мозгу нет запасов богатых энергией молекул, поэтому он нуждается в постоянном поступлении глюкозы. Мозг поглощает около глюкозы в сутки, что соответствует в энергетическом выражении 420 ккал. В состоянии покоя мозг расходует около 60% того количества глюкозы, которое в целом потребляется в организме. При голодании глюкозу в качестве источника энергии для мозга заменяют кетоновые тела (ацетоацетат и его восстановленный аналог 3-гидроксибу-тират). Ацетоацетат активируется путем переноса СоА с молекулы сукцинил-СоА; при этом образуется ацетоацетил-СоА (рис. 23.12). Затем расщепление тиолазой дает две молекулы ацетил-СоА, которые включаются в цикл трикарбоновых кислот. Жирные кислоты не могут служить источником энергии для мозга, так как они связаны с альбумином и неспособны проникнуть через гематоэнцефалический барьер. Итак, кетоновые тела - транспортабельный эквивалент жирных кислот. Чуть ниже мы обсудим, почему использование в качестве энергетических ресурсов не глюкозы, а кетоновых тел имеет важное значение для того, чтобы свести к минимуму распад белков во время голодания.

Таблица 23.1. (см. скан) Энергетические ресурсы у среднего мужчины весом 70 кг. (Cahill G. F., Jr., Oin. Endocrinol. Metab., 5, 398, 1976)

2. Мышцы, Основные источники энергии в мышцах - глюкоза, жирные кислоты и кетоновые тела. Мышцы отличаются от мозга большим запасом гликогена (1200 ккал). Около трех четвертых всего гликогена организма находится в мышцах (табл. 23.1). Содержание гликогена в мышцах после еды может достигать 1%. Этот гликоген легко превращается в глюкозо-6-фосфат для последующего использования в мышечных клетках. В мышцах, как и в мозгу, глюкозо-6-фосфатазы нет, в связи с чем экспорта глюкозы из этих клеток не происходит. Вместо этого мышцы задерживают глюкозу, которую они предпочитают другим источникам энергии в периоды повышенной активности. В активно сокращающихся скелетных мышцах скорость гликолиза сильно превосходит скорость цикла трикарбоновых кислот. Пируват, образующийся в этих условиях, большей частью восстанавливается до лактата. Лактат переходит в печень, где он превращается в глюкозу. В результате этих превращений, называемых циклом Кори (разд. 15.21), часть метаболических отходов мышц перемещается в печень. Кроме того, в активно работающей мышце образуется большое количество аланина в результате трансаминирования пирувата. Подобно лактату, аланин может превращаться в печени в глюкозу. Совершенно иначе организован метаболизм покоящейся мышцы. В ней основным источником энергии служат жирные кислоты. Источником энергии для сердечной мышцы могут служить также кетоновые тела. Более того, сердечная мышца предпочитает ацетоацетат глюкозе.

3. Жировая ткань. Запасы триацилглицеролов в жировой ткани содержат огромный резерв метаболической энергии. Он составляет 135000 ккал в организме среднего взрослого мужчины весом 70 кг, Жировая ткань специально приспособлена для этерификации жирных кислот и их высвобождения из триацилглицеролов. У человека основное место синтеза жирных кислот - печень; поэтому важнейшая биохимическая функция жировй ткани состоит в активации этих жирных кислот и в переносе активированных СоА-производных на трицерол. Глицерол-З-фосфат, ключевой промежуточный продукт этого биосинтеза (разд. 20.1), получается при восстановлении дигидроксиацетонфосфата, который образуется из глюкозы в результате гликолиза. Клетки жировой ткани неспособны фосфорилировать эндогенный глицерол, так как не содержат соответствующей киназы. Поэтому для синтеза триацилглицеролов жировым клеткам необходима глюкоза. Триацилглицеролы гидролизуются до жирных кислот и глицерола под действием липаз. Реакция, лимитирующая скорость всего процесса, - освобождение первой жирной кислоты из триацилглицерола. Его катализирует гормон - зависимая липаза, которая может обратимо фосфорилироваться. Как и при метаболизме гликогена, сАМР выступает в качестве посредника запускаемого гормоном усиливающего каскада. Триацилглицеролы в жировой ткани постоянно гидролизуются и ресинтезируются. Глицерол, образующийся при гидролизе, переносится в печень. Если глицерол-3-фосфат имеется в избытке, жирные кислоты снова подвергаются этерификации. Если же вследствие недостатка глюкозы создается дефицит глицерол-3-фосфата, они

Рис. 23.14. Синтез и расщепление триацилглицеролов в жировой ткани. Жирные кислоты поступают в жировую ткань в виде липопротеинов очень низкой плотности (ЛОНП).

Рис. 23.15. Электронная микрофотография части клетки печени, активно участвующей в синтезе и секреции частиц липопротеинов очень низкой плотности (ЛОНП). Стрелкой отмечен пузырек, выбрасывающий свое содержимое - частицы ЛОНП. (Печатается с любезного разрешения д-ра George Palade.)

выделяются в плазму крови. Таким образом, концентрация глюкозы в жировых клетках - основной фактор, от которого зависит выделение жирных кислот в кровь.

4. Печень. Метаболическая активность печени обеспечивает источниками энергии мозг, мышцы и другие периферические органы. Вещества, всасываемые в кишечнике, попадают главным образом в печень, что позволяет ей регулировать концентрацию в крови многих метаболитов. Печень поглощает большое количество глюкозы и превращает ее в гликоген. Таким образом, она способна запасать до 400 ккал. Печень может выделять глюкозу в кровь, расщепляя гликоген, в виде которого глюкоза запасается, или осуществляя глюконеогенез. Основные предшественники глюкозы - лактат и аланин, поступающие из мышц, глицерол - из жировой ткани и глюкогенные аминокислоты, поступающие с пищей. Кроме того, печень играет главную роль в регуляции липидного метаболизма. Когда в организме имеется избыток источников энергии, жирные кислоты синтезируются в печени, этерифицируются и секретируются в кровь в виде липопротеинов очень низкой плотности (ЛОНП) (рис. 23.15). Эти липопротеины плазмы - основной источник жирных кислот, используемых жировой тканью для синтеза триацилглицеролов. В то же время в условиях голодания печень превращает жирные кислоты в кетоновые тела, Как же клетки печени выбирают один из этих взаимоисключающих путей? Выбор зависит от того, должны ли жирные кислоты проникать в митохондриальный матрикс. Напомним, что жирные кислоты с длинной цепью проходят через внутреннюю митохондриальную мембрану только в том случае, если они связаны эфирной связью с карнитином (разд. 17,7), Фермент,

Рис. 23.16. Электронная микрофотография частиц липопротеинов очень низкой плотности (ЛОНП). Эти частицы имеют диаметр от 300 до они переносят трнацилглицеролы из печени в жировую ткань. (Печатается с любезного разрешения д-ра Robert Mahley.)

катализирующий образование ацилкарнитина на наружной поверхности этой мембраны, ингибируется малонил-СоА - промежуточным продуктом, определяющим дальнейшую последовательность реакций в синтезе жирных кислот. Таким образом, при синтезе жирных кислот с длинной цепью они не проникают в митохондриальный матрикс- компартмент, где происходит -окисление и образование кетоновых тел. Эти жирные кислоты включаются в триацилглицеролы и фосфолипиды. Если же источников энергии недостаточно, концентрация малонил-СоА, напротив, понижается. В этих условиях жирные кислоты, выделяющиеся из жировой ткани, проникают в митохондриальный матрикс для последующего превращения в кетоновые тела. Как печень обеспечивает свои энергетические потребности? Сама она в качестве источника энергии предпочитает глюкозе кето-кислоты, образующиеся при распаде аминокислот. Действительно, основное назначение гликолиза в печени - образование строительных блоков для биосинтезов. К тому же печень не может использовать в качестве источника энергии ацетоацетат, так как она не содержит транеферазу, необходимую для его активации путем образования ацетил-СоА. Таким образом, печень избегает тех источников энергии, которые она отправляет в мышцы и мозг - прямо-таки альтруистический орган!