Биохимия печени

Так же в печени идет обратный гликолизу  процесс – глюконеогенез. Глюконеогенез — процесс синтеза глюкозы из веществ неуглеводной природы. Его основной функцией является поддержание уровня глюкозы в крови в период длительного голодания и интенсивных физических нагрузок. Глюконеогенез обеспечивает синтез 80-100 г глюкозы в сутки. Первичные субстраты глюконеогенеза — лактат, аминокислоты и глицерол. Включение этих субстратов в глюконеогенез зависит от физиологического состояния организма. Лактат — продукт анаэробного гликолиза. Он образуется при любых состояниях организма в эритроцитах и работающих мышцах. Таким образом, лактат используется в глюконеогенезе постоянно. Глицерол высвобождается при гидролизе жиров в жировой ткани в период голодания или при длительной физической нагрузке. Аминокислоты образуются в результате распада мышечных белков и включаются в глюконеогенез при длительном голодании или продолжительной мышечной работе. Необходимо отметить, что гликолиз протекает в цитозоле, а часть реакций глюконеогенеза происходит в митохондриях [3].

Глюконеогенез в основном протекает по тому же пути, что и гликолиз, но в обратном направлении (приложение 7). Однако три реакции гликолиза необратимы, и на этих стадиях реакции глюконеогенеза отличаются от реакций гликолиза.

Превращение пирувата в фосфоенолпируват (необратимая стадия I) осуществляется при участии двух ферментов: пируваткарбоксилазы и карбоксикиназы фосфоенолпирувата:

 

Две другие необратимые стадии катализируются фосфатазой фруктозо-1,6-бисфосфата и фосфатазой глюкозо-6-фосфата:

 

Каждая из необратимых реакций гликолиза вместе с соответствующей ей реакцией глюконеогенеза образует субстратный цикл (приложение 7, реакции 1, 2, 3).

Синтез глюкозы (глюконеогенез  из аминокислот и глицерина). Глюкоза в печени может синтезироваться из аминокислот и глицерина. При катаболизме аминокислот в качестве промежуточных продуктов образуются пируват или оксалоацетат, которые могут включаться в путь глюконеогенеза на стадии первого субстратного цикла (приложение 7, реакция 1). Глицерин образуется при гидролизе жиров и может превращаться в глюкозу (приложение 8). Аминокислоты и глицерин используются для синтеза глюкозы главным образом при голодании или при низком содержании углеводов в рационе (углеводное голодание).

Глюконеогенез может так же происходить  из лактата. Молочная кислота не является конечным продуктом обмена, но ее образование — это тупиковый путь метаболизма: единственный способ использования молочной кислоты связан с ее превращением вновь в пируват при участии той же лактатдегидрогеназы:

 

Из клеток, в которых происходит гликолиз, образующаяся молочная кислота поступает в кровь и улавливается в основном печенью, где и превращается в пируват. Пируват в печени частично окисляется, частично превращается в глюкозу — цикл Кори, или глюкозолактатпый цикл:

В организме взрослого человека за сутки может синтезироваться около 80 г глюкозы, главным образом в печени. Биологическое значение глюконеогенеза заключается не только в возвращении лактата в метаболический фонд углеводов, но и в обеспечении глюкозой мозга при недостатке углеводов в организме, например, при углеводном или полном голодании [2].

Синтез гликогена (гликогенез). Как уже говорилось выше, часть глюкозы поступившей в печень используется в синтезе гликогена. Гликоген — разветвленный гомополимер глюкозы, в котором остатки глюкозы соединены в линейных участках a-1,4-гликозидной связью. В точках ветвления мономеры соединены a-1,6-гликозидными связями. Эти связи образуются примерно с каждым десятым остатком глюкозы. Так возникает древообразная структура с молекулярной массой  >10⁷Д, что соответствует приблизительно 50 000 остатков глюкозы (приложение 9). При  полимеризации глюкозы снижается растворимость образующейся молекулы гликогена и, следовательно, ее влияние на осмотическое давление в клетке. Это обстоятельство объясняет, почему в клетке депонируется гликоген, а не свободная глюкоза.

Гликоген хранится в цитозоле клетки в форме гранул диаметром 10—40 нм. После приёма пищи, богатой  углеводами, запас гликогена в печени может составлять примерно 5% от её массы.

Распад гликогена печени служит в основном для поддержания уровня глюкозы в крови в постабсорбтивном периоде. Поэтому содержание гликогена в печени изменяется в зависимости от ритма питания. При длительном голодании оно снижается почти до нуля.

Гликоген синтезируется в период пищеварения (через 1—2 ч после приёма углеводной пищи). Синтез гликогена из глюкозы требует затрат энергии.

Прежде всего глюкоза подвергается фосфорилированию при участии фермента гексокиназы и глюкокиназы. Далее  глюкозо-6-фосфат под влиянием фермента фосфоглюкомутазы переходит в глюкозо-1-фосфат.

Образовавшийся глюкозо-1-фосфат уже  непосредственно вовлекается в  синтез гликогена.

На первой стадии синтеза глюкозо-1-фосфат вступает во взаимодействие с УТФ (уридинтрифосфат), образуя уридиндифосфатглюкозу (УДФ-глюкоза) и пирофосфат. Данная реакция катализируется ферментом глюкозо-1-фосфат-уридилилтрансферазой (УДФГ-пирофосфорилаза) (приложение 10).

На второй стадии — стадии образования  гликогена — происходит перенос  глюкозного остатка, входящего в состав УДФ-глюкозы, на глюкозидную цепь гликогена («затравочное» количество) (приложение 11). При этом образуется α-1,4-гликозидная связь между первым атомом углерода добавляемого остатка глюкозы и 4-гидроксильной группой остатка глюкозы цепи. Эта реакция катализируется ферментом гликогенсинтазой. Образующийся УДФ затем вновь фосфорилируется в УТФ за счет АТФ, и таким образом весь цикл превращений глюкозо-1-фосфата начинается сначала.

Установлено, что гликогенсинтаза  неспособна катализировать образование α-1,6-гликозидную связь, имеющуюся в точках ветвления гликогена. Этот процесс катализирует специальный фермент, получивший название гликогенветвящего фермента, или амило-1,4-1,6-трансглюкозидазы. Последний катализирует перенос концевого олигосахаридного фрагмента, состоящего из 6 или 7 остатков глюкозы, с нередуцирующего конца одной из боковых цепей, насчитывающей не менее 11 остатков, на 6-гидроксиль-ную группу остатка глюкозы той же или другой цепи гликогена. В результате образуется новая боковая цепь. Ветвление увеличивает скорость синтеза и расщепления гликогена [2].

Распад гликогена или его мобилизация происходят в ответ на повышение потребности организма в глюкозе. Гликоген печени распадается в основном в интервалах между приёмами пищи, распад ускоряется во время физической работы. Распад гликогена происходит при участии двух ферментов: гликогенфосфорилазы и фермента с двойной специфичностью — 4:4-трансферазы-α-1,6-гликозидазы. Гликогенфосфорилаза катализирует фосфоролиз 1,4-гликозидной связи нередуцирующих концов гликогена, глюкозные остатки отщепляются один за другим в форме глюкозо-1-фосфата (приложение 12). При этом гликогенфосфорилаза не может отщеплять глюкозные остатки от коротких ветвей, содержащих менее пяти глюкозных остатков; такие ветви удаляются 4:4-трансферазой-α-1,6-гликозидазой. Этот фермент катализирует перенос фрагмента из трех остатков короткой ветви на концевой глюкозный остаток более длинной ветви; кроме того, он гидролизует 1,6-гликозидную связь и таким образом удаляет последний остаток ветви (приложение 13).

Голодание в течение 24 ч приводит практически к полному исчезновению гликогена в клетках печени. Однако при ритмичном питании каждая молекула гликогена может существовать неопределенно долго: при отсутствии пищеварения и поступления в ткани глюкозы молекулы гликогена уменьшаются за счет расщепления периферических ветвей, а после очередного приема пищи вновь вырастают до прежних размеров.

Глюкозо-1-фосфат, образующийся из гликогена, при участии фосфоглюкомутазы превращается в глюкозо-6-фосфат, дальнейшая судьба которого в печени и в мышцах различна. В печени глюкозо-6-фосфат превращается в глюкозу при участии глюкозо-6-фосфатазы, глюкоза выходит в кровь и используется в других органах и тканях.

Регуляция процессов гликогенеза и гликогенолиза осуществляется гормонами: инсулином, глюкагоном, адреналином. Первичный сигнал для синтеза инсулина и глюкагона — изменение концентрации глюкозы в крови. Инсулин и глюкагон постоянно присутствуют в крови, но при смене абсорбтивного периода на постабсорбтивный изменяется их относительная концентрация, что является главным фактором, переключающим метаболизм гликогена в печени. Отношение концентрации инсулина в крови к концентрации глюкагона называют «инсулин-глюкагоновый индекс». В постабсорбтивном периоде инсулин-глюкагоновый индекс снижается, и решающее значение в регуляции концентрации глюкозы и крови приобретает концентрация глюкагона. В период пищеварения преобладает влияние инсулина, так как инсулин-глюкагоновый индекс в этом случае повышается. В целом инсулин влияет на обмен гликогена противоположно глюкагону. Инсулин снижает концентрацию глюкозы в крови в период пищеварения.

Гормон адреналин стимулирует  выведение глюкозы из печени в  кровь, для того чтобы снабдить ткани (в основном мозг и мышцы) «топливом» в экстремальной ситуации.

Регуляторным фактором в метаболизме  гликогена является также величина К_м глюкокиназы, которая много выше, чем К_м гексокиназы - печень не должна потреблять глюкозу для синтеза гликогена, если её количество в крови в пределах нормы.

1.1.2  Регуляция липидного обмена

Липидный обмен в печени включает биосинтез различных липидов (холестерина, триацилглицерина, фосфоглицеридов, сфингомиелина  и др.) которые поступают в кровь  и распределяются по другим тканям и сгорание (окисление) жирных кислот с образованием кетоновых тел, которые используются как источник энергии для внепеченочных тканей.

Доставка жирных кислот к месту окисления – к митохондриям клеток печени – происходит сложным путем: при участии альбумина осуществляется транспорт жирных кислот в клетку; при участии специальных белков – транспорт в пределах цитозоля; при участии карнитина – транспорт жирной кислоты из цитозоля в митохондрии.

Процесс окисления жирных кислот складывается из следующих основных этапов.

1. Активация жирных кислот. Активация протекает на наружной поверхности мембраны митохондрии при участии АТФ, коэнзима А (HS-KoA) и ионов Mg²⁺. Реакция катализируется ферментом ацил-КоА-синтетазой:

Активация протекает в 2 этапа. Сначала жирная кислота реагирует с АТФ с образованием ациладенилата, далее сульфгидрильная группа КоА действует на прочно связанный с ферментом ациладенилат с образованием ацил-КоА и АМФ.

Затем следует транспорт жирных кислот внутрь митохондрий. Переносчиком активированных жирных кислот с длинной цепью через внутреннюю митохондриальную мембрану служит карнитин. Ацильная группа переносится с атома серы КоА на гидроксильную группу карнитина.

2. Образуется ацилкарнитин, который диффундирует через внутреннюю митохондриальную мембрану:

Реакция протекает при участии спецефического цитоплазматического фермента карнитин-ацилтрансферазы. После прохождения ацилкарнитина через мембрану митохондрий происходит обратная реакция – расщепление ацилкарнитина при участии HS-KoA и митохондриальной карнитин-ацилтрансферазы:

 

3. Внутримитохондриальное окисление жирных кислот. Процесс окисления жирной кислоты в митохондриях клетки включает несколько последовательных реакций.

Первая стадия дегидрирования. Ацил-КоА в митохондриях подвергается ферментативному дегидрированию, при этом ацил-КоА теряет 2 атома водорода в α- и β-положениях, превращаясь в КоА-эфир ненасыщенной кислоты. Реакцию катализирует ацил-КоА-дегидрогеназа, продуктом является еноил-КоА :

Стадия гидратации. Ненасыщенный ацил-КоА (еноил-КоА) при участии фермента еноил-КоА-гидратазы присоединяет молекулу воды. В результате образуется β-оксиацил-КоА (или 3-гидроксиацил-КоА):

 

Вторая стадия дегидрирования. Образовавшийся β-оксиацил-КоА (3-гидроксиацил-КоА) затем дегидрируется. Эту реакцию катализируют НАД-зависимые дегидрогеназы:

 

Тиолазная реакция. Расщепление 3-оксоацил-КоА с помощью тиоловой группы второй молекулы КоА. В результате образуется укороченный на два углеродных атома ацил-КоА и двууглеродный фрагмент в виде ацетил-КоА. Данная реакция катализируется ацетил-КоА-ацилтрансферазой (β-ке-тотиолазой):

Образовавшийся ацетил-КоА подвергается окислению в цикле трикарбоновых кислот, а ацил-КоА, укоротившийся на два углеродных атома, снова многократно проходит весь путь β-окисления вплоть до образования бутирил-КоА (4-углеродное соединение), который в свою очередь окисляется до 2 молекул ацетил-КоА [2].

Биосинтез жирных кислот. Синтез жирных кислот протекает в цитоплазме клетки. В митохондриях в основном происходит удлинение существующих цепей жирных кислот. Установлено, что в цитоплазме печеночных клеток синтезируется пальмитиновая кислота (16 углеродных атомов), а в митохондриях этих клеток из этой пальмитиновой кислоты или из жирных кислот экзогенного происхождения, т.е. поступающих из кишечника, образуются жирные кислоты, содержащие 18, 20 и 22 углеродных атома.