Биохимические основы жизнедеятельности организма человека - Волков Н.И., Несен Э.Н. 2000

Биохимические основы жизнедеятельности организма человека
Интеграция и регуляция обмена веществ - биохимическая основа процессов адаптации
Взаимопревращение углеводов, жиров и белков

Для животных и человека характерно взаимопревращение отдельных клас­сов веществ благодаря наличию общих продуктов их обмена и единого цикла превращения — цикла лимонной кислоты. Основные пути взаимо­превращения углеводов, жиров и белков показаны на рис. 101.

Взаимосвязь обмена углеводов и жиров. Углеводы в значительной степени могут превращаться в жиры при избыточном потреблении с пи­щей, а жиры могут использоваться для новообразования глюкозы и вос­полнения гликогена только при недостатке углеводов. Их обмены связаны такими общими промежуточными метаболитами, как глицерин, пировино­градная кислота и ацетил-КоА.

Рис. 101 Схема взаимопревращения основных звеньев жиров, углеводов и белков

Рис. 102 Взаимопревращение углеводов и жиров

Глицерин образуется при обмене углеводов в гликолитической фазе окисления глюкозы в виде фосфоглицеринового альдегида и мо­жет использоваться как исходный компонент синтеза жиров (рис. 102). Образуется он также при распаде нейтральных жиров, фосфолипидов и, превращаясь в фосфоглицериновый альдегид, может включаться в про­цесс синтеза глюкозы. Вторым промежуточным метаболитом, использу­емым для биосинтеза как углеводов, так и жиров, является пировино­градная кислота. Однако основным исходным соединением, используе­мым в тканях при взаимопревращении углеводов и жиров, является ацетил-КоА.

Молекулы ацетил-КоА образуются из пировиноградной кислоты при аэробном окислении углеводов и распаде жирных кислот. Из них могут синтезироваться как жиры, так и углеводы (см. рис. 102). В процессе но­вообразования глюкозы ацетил-КоА активирует ферментативное превра­щение пировиноградной кислоты в фосфоэнолпировиноградную кислоту с участием щавелевоуксусной кислоты.

Новообразование глюкозы из продуктов распада жиров происходит при снижении ее уровня в крови, например при длительных физических нагрузках или голодании. На резкое снижение глюкозы в крови особенно остро реагирует мозг, для которого глюкоза является основным энергети­ческим субстратом. Для предотвращения развития гипогликемической ко­мы включаются адаптационные регуляторные механизмы восстановления уровня глюкозы из неуглеводных компонентов и подавляются процессы превращения ее в жирные кислоты и аминокислоты. Важную роль в этих процессах играет печень, регулирующая уровень глюкозы в крови, что бу­дет рассмотрено ниже.

Превращение углеводов в жиры можно рассматривать как запасание энергии, которая будет освобождаться при окислении жиров. Известно, что в состоянии относительного покоя, при длительной физической рабо­те, голодании в печени, скелетных мышцах и сердце важными энергети­ческими субстратами являются свободные жирные кислоты и кетоновые тела. При этом используются продукты распада жирных кислот — кетоновые тела, которые образуются в печени, а утилизируются в мышцах и дру­гих тканях, в том числе и в мозге при длительном голодании. Таким обра­зом организм регулирует необходимое количество энергетических резер­вов и использует разные источники энергии в зависимости от условий среды, а также осуществляет перераспределение энергетических источни­ков между отдельными органами.

Взаимосвязь обмена углеводов и белков. Углеводы могут прев­ращаться в белки, так как в процессе распада углеводов образуются кетокислоты и щавелевоуксусная кислота, которые могут подвергаться восстановительному аминированию (присоединение NH₃) и превращаться в аминокислоты — аланин, аспарагиновую и глутаминовую кислоты, ис­пользуемые при синтезе белка. Однако такой процесс в организме чело­века ограничен. Для синтеза белков необходимы значительные затраты энергии, что требует усиленного окисления углеводов.

В энергетическом обмене клеток важную роль играют процессы прев­ращения аминокислот в глюкозу. Многие так называемые гликогенные аминокислоты метаболического пула клеток превращаются в разные кис­лоты цикла лимонной кислоты или пировиноградную кислоту, а затем в щавелевоуксусную и далее в глюкозу.

Поскольку белки образуют основу всех клеточных структур, превра­щение их в углеводы происходит только при значительном дефиците углеводов, что может быть связано с непоступлением углеводов с пи­щей или адаптивном новообразовании глюкозы при мышечной деятель­ности.

Процесс превращения белков в углеводы регулируется глюкокортико­идами и является компенсаторным механизмом снабжения организма энергией при недостатке углеводов в условиях мышечной деятельности. Интенсивно он протекает также у больных сахарным диабетом. Как пока­зали опыты на животных, при этом заболевании из 100 г белка образует­ся около 50—80 г глюкозы.

Взаимосвязь обмена белков и жиров. В организме наблюдается в основном превращение белков в жиры, так как превращение жиров в бел­ки ограничено. Преобладание белков в рационе питания животных вызы­вает активный биосинтез жиров. Отдельные аминокислоты (лейцин, фени­лаланин, тирозин), превращаясь в ацетил-КоА, могут сразу включаться в процессы биосинтеза жирных кислот. Однако основное превращение бел­ков в жиры происходит путем образования пировиноградной кислоты — метаболита углеводов, которая может превращаться в ацетил-КоА — ис­ходный материал биосинтеза жирных кислот.

Интеграция обмена веществ. Процессы обмена углеводов, жиров и белков тесно взаимосвязаны благодаря наличию общего продукта их обмена — ацетил-КоА. Образуется ацетил-КоА (СН₃-СО-КоА) при распа­де глюкозы, жирных кислот, аминокислот и объединяет эти процессы, а затем вступает в основной метаболический путь цикл лимонной кислоты, где окисляется до СО₂ и Н₂О с высвобождением энергии. Имея макроэргическую химическую связь, ацетил-КоА не только легко вовлекается в процесс окисления в указанном цикле, но и используется как строитель­ный материал при биосинтезе различных веществ (см. рис. 98). Аце­тил-КоА используется в тканях для биосинтеза жирных кислот, образования кетоновых тел в печени, синтеза стероидов, взаимопревращения различных классов веществ.

Таким образом, ацетил-КоА принадлежит главная роль в интеграции обмена углеводов, жиров и белков. Образуясь в цитоплазме клетки, он про­никает в митохондрии, объединяет цитоплазматические и внутримитохон­дриальные процессы метаболизма, а также различные процессы катаболиз­ма углеводов, жиров и белков, создает субстраты для процессов новообра­зования глюкозы, аминокислот и биосинтеза жирных кислот. Следователь­но, взаимопревращение углеводов, жиров и белков, интеграция путей их обмена позволяют организму независимо от поступления продуктов пита­ния создать энергетический запас в клетках, обеспечить своевременное са­мообновление и приспособление к условиям внешней и внутренней среды.