Глава 12. Биохимия питания и пищеварения 2 страница

Продуктом действия фосфолипазы А₂, являющейся основной пищевари тельной фосфолипазой, являются чрезвычайно токсичные лизофосфатиды которые тут же гидролизуются лизофосфолипазой.

Фосфолипазы С и D завершают процесс гидролиза фосфоглицеридов Конечными продуктами их гидролиза являются глицерин, жирные кислоты 'неорганический фосфат и один из остаточных спиртов (холин, этаноламин, инозит, серии).

Гидролиз других пищевых фосфолипидов — сфингофосфатидов, а также

гликолипидов менее изучен. Однако в стенке кишечника обнаружены ферменты сфингомиелиназа и церамидаза. Первый из них гндролизует связь, образованную фосфорной кислотой и сфингозином в сфингомиелинах, а второй — N-ацильную связь в молекуле церамида. Это ведет к освобожде­нию сфингозина, жирной кислоты и фосфохолина.

Гидролиз стеридов. Поступающие с пищей эфиры холестерина, которыми богаты некоторые продукты (желток яиц, сливочное масло, икра и т. д.), расщепляются в эмульсионной капле кишечного содержимого с помощью панкреатической холестеролэстеразы. Активируется фермент также желчными кислотами. После действия фермента образуются свободный холестерин и жирные кислоты. Продукты гидролиза всех пищевых липидов всасываются в кишечнике.

4. Всасывание веществ в кишечнике

В кишечнике происходит всасывание продуктов переваривания питательных веществ (табл. 25).

Всасывание продуктов гидролиза белков. Основным продуктом гидролиза белков являются аминокислоты. Их всасывание в кишечнике, так же как и транспорт через другие клеточные мембраны, осуществляется с помощью специальных транспортных систем для аминокислот. Транспорт аминокислот является активным и требует необходимого градиента ионов Na⁺, создавае­мого Na⁺. К⁺-АТФазой мембраны эпителия кишечника. Аминокислоты вса­сываются в кишечнике посредством вторичного активного транспорта. Это доказывается тем, что гликозид уабаин — ингибитор Na⁺, К⁺-АТФазы — тормозит и транспорт аминокислот.

Существует не менее пяти специальных систем переносчиков для ами­нокислот: 1) нейтральных алифатических; 2) циклических; 3) основных; 4) кислых; 5) пролина. Аминокислоты этих групп конкурируют за участки связывания с переносчиком соответствующей транспортной системы. При транспорте аминокислот через мембрану кишечного эпителия ион Na⁺ входит вместе с ними внутрь клетки, т. е. имеет место симпорт аминокислот и ионов Na⁺ специальной системой переносчйков. Натрий вновь «откачивается» из клетки №⁺, К⁺-АТФазой, а аминокислоты остаются внутри клетки.

Есть и другая разновидность механизма транспорта аминокислот через клеточную мембрану кишечного эпителия и других клеток — у-глута- мильный цикл. Перенос аминокислоты совершается с помощью специального фермента у-глутамилтрансферазы, который находится в мембране кишечного эпителия и других клеток. Кофактором этого фермента служит трипептид глутатион, которого достаточно много внутри клетки. На первом этапе фермент осуществляет перенос у-глутам ильного остатка глутатиона на транспортируемую аминокислоту:

Аминокислота Н- Глутаминнлцистеин ил глицин (глутатион) Г ^{г л} УЧ" " " Т " ^ис< ИР*, ³»_> ► у-Глутамнламинокислота (дипептид) + Цистеивил глицин

Дипептид у-глутаминиламинокислота переходит внутрь клетки. Следователь­но, для переноса аминокислоты из внешнего пространства внутрь клетки используется энергия пептидных связей глутатиона. Далее с помощью еще пяти внутриклеточных ферментов у-глутам ильного транспортного цикла происходит освобождение нз дипептида (у-глутамнламинокислота) свободной аминокислоты н ресинтез затраченной на транспорт молекулы глутатиона. Широкое распространение основного фермента этого транспортного цикла в тканях показывает его значение в транспорте аминокислот во многих клетках. В кишечнике возможно всасывание небольших количеств дипептидов и негидролизов а иных белков. Всасываются они путем пиноцитоза и внутри клетки гидролизуются протеиназамн лизосом.

У новорожденных низкая активность протеолитических ферментов и вы­сокая проницаемость слизистой кишечника могут привести к всасыванию нативных белков пищи и вызвать повышенную чувствительность к ним орга­низма. Очевидно, это является причиной пищевой аллергии, т. е. извращенной реакции организма на вещества, что ведет к непереносимости определен­ных продуктов. Обычно же всасываемые аминокислоты поступают в порталь­ную вену, затем в печень и разносятся в кровь в растворенном виде по тканям и органам. Наиболее активно потребляют аминокислоты пёчень, почки и менее активно прочие органы, особенно головной мозг. Существует избирательность транспорта для отдельных аминокислот, особенно в клетках нервной системы. У новорожденных и^- детей раннего возраста клеточные барьеры более проходимы, поэтому даже в головной мозг аминокислоты проходят очень быстро.

Всасывание продуктов гидролиза полинуклеотидов происходит путем пассивного или облегченного транспорта. Наряду с азотистыми основаниями через мембраны хорошо проникают и нуклеозиды. Поэтому в виде нуклеози­дов всасывается часть продуктов переваривания нуклеиновых кислот.

Всасывание моносахаридов как продуктов переваривания углеводов происходит посредством вторичного активного транспорта. Транспорт моно­сахаридов зависит от ионов Na⁺, за счет градиента которого (как и при всасывании аминокислот) осуществляется их перенос с помощью специаль­ного переносчика.

Скорость всасывания отдельных моносахаридов—гексоз, пентоз, неоди­накова. Наиболее быстро всасывается галактоза, затем глюкоза. Всосав­шиеся моносахариды поступают, из кишечной стенки в портальную вену, в печень и разносятся с кровью к остальным тканям. В печени остальные гектазы (галактоза, фруктоза, манноза) превращаются в глюкозу или ее метаболиты. Главными потребителями глюкозы помимо печени являются головной мозг, скелетные мышцы, где глюкоза используется в качестве легкого окисляемого источника энергии. В жировой ткани глюкоза ис­пользуется для синтеза нейтрального жира.

Обычно около 65% глюкозы, поступившей при всасывании из кишечника, расходуется на окисление в клетках (для образования энергии), на син­тез жира около 30% и 5% на синтез гликогена. Эти пропорции меняются в зависимости от физиологического состояния организма, возраста и ряда других причин.

Всасывание продуктов гидролиза липидов и их транспорт. Всасывание продуктов переваривания липидов имеет свои особенности. Так, всасывание жирных кислот зависит от длины углеводородной цепи. Короткоцепочечные.жирные кислоты -(до 10—12 углеродных атомов) транспортируются простой диффузией внутрь кишечного эпителия. Длинноцепочечные жирные кислоты (более 14 углеродных атомов) образуют транспортные комплексы с желчными кислотами. Эти комплексы называют холеиновыми кислотами. В таком виде жирные кислоты проходят через мембрану кишечного эпителия. Можно считать, что это облегченный транспорт, где роль переносчика вы­полняют желчные кислоты. Внутри стенки кишечника холеиновый комплекс распадается, и желчные кислоты уходят в кровь портальной вены и в печень. Из печени они вновь возвращаются с желчью в кишечник. Этот кругооборот называют кишечно- печеночной циркуляцией желчных кислот.

Частично липиды всасываются в виде три ацилглицеринов (около 3 — 6%) путем пиноиитоза и значительная часть (до 50%) — в виде 2-моноацил- глицерииов. Последние переходят мембранный барьер простой диффу­зией.

Кроме того, легко всасываются глицерин, фосфаты в виде натриевых и калиевых солей, холин и другие спирты, сфингозин и холестерин. Часть продуктов неполного гидролиза фосфолнпидов, например фосфатидилхолин, тоже всасываются в кишечнике. Особенности транспорта их еще неясны, хотя частично они всасываются путем пассивного транспорта, а для некоторых из них обнаружены переносчики,

Продукты переваривания липцдов, поступившие в слизистую кишечника в результате всасывания, транспортируются в кровь и лимфу. Такие продукты гидролиза липидов, как короткоцепочечные жирные кислоты, глицерин, фосфаты, холин и другие спирты глйцерофосфатидов, хорошо растворимы и поступают из слизистой кишечника в кровь воротной вены и далее в печень. Некоторая часть продуктов неполного гидролиза фосфолнпидов (глицеро- фосфохолин, глнцеролфосфат), всосавшихся из кишечника, также обнаружи- вается'в крови воротной вены.

Длинноцепочечные жирные кислоты, холестерин, некоторая доля всосав­шихся трнацилглицеринов, моноацилглицерины и большая часть перева­ренных фосфолнпидов обнаруживаются в лимфе. Однако' прежде чем поступить в лимфу, в кишечной стенке липиды подвергаются р е с и н р.е? у. 186

В эпителии кишечника наблюдается ресинтез триацилглицеринов, фосфолн­пидов и эфиров холестерина.

Биологическая роль ресинтеза липидов состоит в том, что в стенке кишечника образуются липиды, более свойственные организму человека, а не пищевому жиру, который может резко отличаться по - физико-хими- ческнм показателям от липидов человека.

Источником ресинтеза триацилглицеринов служат глицерин, моноацил- глицерин, поступившие в клетку в ходе всасывания, и жирные кислоты. Поскольку все отличия в составе триацилглицеринов определяются составом жирных кислот, то при ресинтезе липидов используются собственные жирные кислоты с длинной цепью, образовавшиеся в самом кишечном эпителии из предшественников. Лишь часть всосавшихся жирных кислот пригодна для ресинтеза и тоже используется в этом процессе.

То же самое происходит при ресинтезе фосфолнпидов и эфиров холестерина. На их сборку тоже идут жирные кнслоты, свойственные дан­ному виду организма. Примерно 70% свободного холестерина, поступившего при всасывании, расходуется на образование эфиров холестерина.

Транспорт ресинтезированных в кишечнике липидов происходит следую­щим образом. Некоторая часть фосфолнпидов, образовавшихся при ресинте­зе, поступает в кровь воротной вены благодаря их гидрофильности. Осталь­ные фосфолипиды, все триацил глицерины, эфиры холестерина и свободный холестерин переносятся с лимфой. Ввиду их нерастворимости перенос осу­ществляется с помощью транспортных форм липидов (см. гл. «Смешанные макромолекулы»).

Ресинтезнрованные" в кишечнике лнпиды транспортируются в составе хиломикронов. Белковая-часть их — аполипопротеид — образуется в эпителии кишечника. Формируются хнломикроны из аполнпопротенда, придающего им растворимость, и ресинтезированных липидов, основную долю которых, около 90%, составляют триацнлглицерины. Кроме того, в них входят фосфолипиды, эфиры холестерина и свободный холестерин. Негидролизованные триацнл­глицерины, которые попадают в кишечник, также входят в хнломикроны вместе с ресинтезнрованными триацил глицеринами.

Хнломикроны переходят из эпителия кишечника в грудной лимфатический проток. При приеме большого количества жирной пищи лимфа приобретает молочнообразный вид от взвешенных хиломикронов. Из грудного лимфати­ческого протока хнломикроны поступают в кровь, которая становится мутной, резко опалесцирующей (такая плазма крови называется липемической). В крови хиломикроны, а точнее, входящие в них триацнлглицерины, рас­щепляются липопротеидлипазой. Этот фермент образуется в печени, жировой ткани, легких, эндотелии сосудов и т. д. в неактивном виде. Активируется ои кофактором — гепарином. В ответ на поступление хиломикронов в кровь из тучных клеток соединительной ткани туда поступает гепарин, активи­рующий липопротеидлиЬазу. Последняя гидролизует триацилглицерины в сос­таве хиломикронов на глицерин и жирные кислоты. В результате этого хиломикроны распадаются и плазма крови просветляется.

Жирные кислоты тут же акцептируются альбуминами плазмы и достав­ляются к тканям и органам. Глицерин находится в растворимом виде й тоже с током крови поступает к органам. Основная часть жирных кислот и глицерина потребляется жировой тканью где происходит депонирование их в виде триацилглицеринов, а также сердцем, печенью и другими органами, в которых они окисляются для энергетических целей.

5. Регуляция пищеварения

Переваривание компонентов пищи регулируется системой гор моноподобных веществ, образующихся в клетках пищеварительного тракта. Характеристика их дана в табл. 26. Химическое строение большинства из них неизучено. Известно, что гистамин является продуктом декарбоксилирования гистидина, а гастрин, секретин и холецистокинин, выделенные в очищенном виде, относятся к полипепгидам. Остальные регуляторы пищеварения, очевидно, тоже пептиды, но они не получены в чистом виде и названы по вызываемому ими эффекту.

Выделение регуляторов происходит под действием пищи и определяется ее составом. При поступлении пищи в желудок выделяются гистамин и гаст­рин, которые обеспечивают секрецию соляной кислоты и пепсина, перевари­вающих белки. Переход желудочного содержимого в двенадцатиперстную кишку служит сигналом к выделению энтерогастрона, который, выделяясь в кровь, тормозит секрецию желудочного сока.

Поступление пиши в кишечник способствует выделению комплекса ре­гуляторов (секретин, холецистокинин-панкреозимин, хиЦодекин и энтерокринин), которые обеспечивают быстрое выделение панкреатического и кишечного соков для переваривания пищи. Нарушение секреции регуляторов вызывает дисгармонию процессов переваривания пищи.

6. Патология переваривания и всасывания

Нарушение пищеварения вызывается недостатком ферментов и кофакторов переваривания пищи и биохимическими или механическими нарушениями процессов всасывания веществ в кишечнике

Нарушения переваривания белков. Пониженная секреция соляной кисло­ты и пепсина (так называемый гипоацидный гастрит) вплоть до полного ее отсутствия (это состояние называется ахиллия) существенно не влияет на об­щую перевариваемость белков пищи. Этот недостаток компенсируется необ­ходимым набором протеолитических ферментов при кишечном пищеварении. Однако отсутствие соляной кислоты приводит к развитию микробной флоры и гнилостным процессам в желудке.

Дефицит протеолитических ферментов поджелудочной железы (врожден­ное отсутствие или механическое препятствие) приводит к выделению непереваренных белков с калом и относительному белковому голоданию. Не­переваренные белки подвергаются перевариванию микроорганизмами толстого кишечнику. Этот процесс называется гниением белков в кишечнике. Гниение белков сопровождается образованием ядовитых продуктов — сероводорода, аминов (путресцин, кадаверин, фенилэтнламнн, нндолэтиламин), фенола, крезола, скатола, индола. Эти вещества могут оказать отрицательное действие на организм. Некоторые из этих вредных продуктов обезврежи­ваются здесь же в кишечнике, остальные — при всасывании, главным образом в печени.

Нарушения переваривания липидов наблюдаются при недостатке обра­зования липолитических ферментов в поджелудочной железе или вследствие нарушения оттока панкреатического сока. Почти те же нарушения в перевари­вании липидов, что и дефицит липолитических ферментов, вызывают нарушение желчеобразования в печени и оттока желчи в кишечник, поскольку желчные кислоты выполняют роль эмульгаторов, активаторов ли­политических ферментов и переносчиков жирных кислот. Основным " приз­наком патологии переваривания липидов является стеаторея, т. е. выделение непереваренных липидов с калом, который принимает белый цвет из-за большого количества непереваренного жира.

Нарушения переваривания углеводов проявляются при недостатке (врожденном или приобретенном) амилолитических ферментов — а-амилазы или олигосахаридаз. Основным признаком этой патологии служит непереноси­мость отдельных углеводов, например крахмала (при дефиците а-амилазы), лактозы (при дефиците лактазы), реже мальтозы (при дефиците мальтазы) и т. д.

Очень часто наблюдается непереносимость лактазы, сопровождающаяся кишечными расстройствами. Наблюдается она у детей, вскармливаемых в течение длительного времени грудным молоком. Количество лактозы, потребляемой ребенком, может превышать возможности лактазы кишечника, и оставшаяся непереваренной лактоза вызывает кишечные расстройства и поддерживает развитие микробов кишечника. Переход на молочные смеси с ограниченным содержанием лактозы избавляет ребенка от недуга. У многих взрослых людей, а у аборигенов Австралии в 100% случаев наблюдается возрастная недостаточность лактазы, а с ней и непереносимость молока. Бывает и наследственный" дефект лактазы, встречающейся у'детей, который сопровождается теми же симптомами.

Нарушения всасывания продуктов переваривания пищи возмЬжны после оперативных вмешательств, т. е- удаления большой части тонкого кишечника или при повреждении транспортных систем тонкого кишечника. Всасыва­ние жирных кислот нарушается при отсутствии или дефиците желчных кислот. Всасывание глюкозы (и других моносахаридов) и аминокислот определяется работой «натриевого насоса» елизисгий кишечника и наличием специфичес­ких переносчиков. Всякие нарушения в работе Na⁺, К⁺ -АТФазы (врожденный дефект, поступление ингибиторов ее и т. п.) препятствует нормальному вса- > сыванню аминокислот и моносахаридов. Возможны признаки слабого вса­сывания соответствующих аминокислот при дефектах одной нз пяти групп специальных переносчиков. Для моносахаридов вероятен аналогичный исход при дефектах переносчиков. При отравлении глнкозидом флоридзином, являю­щимся мощным ингибитором переносчика моносахаридов, прекращается вса­сывание моносахаридов, хотя градиент иона Na⁺ не нарушается.

Б. БИОЭНЕРГЕТИКА

Энергетические ресурсы, имеющиеся в распоряжении клеток, используются для обеспечения их энергетических потребностей. К энергетическим ресурсам можно отнести: моносахариды, аминокислоты,.глицерин и жирные кислоты, которые, проходя через плазматическую мембрану клеток, могут или сразу использоваться как источники энергии, или, включаясь в состав биополимеров (полисахариды, липиды, белки), образуют как бы внутриклеточное депо энергетических веществ. По мере надобности внутриклеточные биополимеры расходуются на образование энергии. В целом организме роль отдельных тканей и органов в накоплении энергетических ресурсов, особенно таких ценных, как жиры и углеводы, неодинакова. Жировая ткань обладает наибольшими возможностями для накопления энергетически важных триа- цилглицеринов по сравнению с другими клетками н тканями. В этом заложен определенный биологический смысл для организма, так как если бы все ткани одинаково аккумулировали жир для своих энертетических целей, то, отяго­щенные накопившимся жиром, они не могли бы выполнять другие функции. Жировая ткань снабжает другие ткани энергетическими субстратами — глицерином и жирными кислотами, которые поступают в кровь после распада триацилглицерина жировой ткани. Похожую роль, только в ограниченных размерах, выполняет печень, снабжая другие клетки и ткани глюкозой, которая поступает в кровь при распаде гликогена печени. Однако запасы гликогена в печени невелики по сравнению с запасами жира в жировой ткани. Если же^: при патологии в печени накапливаются излишки гликогена или того же жира, то это мешает выполнению специализированных функций клетками печени.

В целом энергетические потребности животных клеток, клеток растений, пребывающих в темноте, и многих микроорганизмов удовлетворяются за счет освобождения энергии при катаболизме питательных веществ.

1. Фазы освобождения энергия из питательных веществ

В ходе извлечения энергии из различных субстратов можно условно выделить три фазы. Первая фаза — подготовительная. Она необходима для пере­вода биополимеров, поступающих с пищей или находящихся внутри клетки, в удобную для извлечения энергии форму — мономеры. Осуществляется эта фаза с помощью гидролаз в кишечнике или внутри клети. Внутри клетки гидролиз происхоит с участием ферментов цитоплазмы и лизосом. Энерге­тической ценности эта фаза не представляет, так как освобождается лишь до 1% энергии субстратов, до и она рассеивается в форме теплоты.

Вторая фаза — частичный распад мономеров до ключевых проме­жуточных продуктов, главным образом до ацетил-КоА и нескольких кислот цикла Кребса — оксалоацетата, 2-оксоглутарата. Во второй фазе большое число исходных субстратов сокращается до трех. Для нее характерно час-.тимное (до 20%) освобождение энергии, заключенной в исходных субстратах, происходящее в анаэробных (бескислородных) условиях. Часть этой энергии аккумулируется в фосфатных связях АТФ, а часть рассеивается в виде теп­лоты. Превращение мономеров протекает в гиалоплазме, а заключительные реакции — в митохондриях.

Третья фаза — окончательный распад веществ до С0₂» Н₂0 с уча­стием кислорода. Эта фаза — аэробного биологического окисления веществ протекает с полным освобождением энергии. Особенность превращения веществ на этом этапе состоит в том, что из трех метаболитов предыдущей фазы, после- так называемого цикла Кребса, остается только водород, связанный с переносчиками (НАД или ФАД). Водород — универсальное энергетическое топливо, которое используется в дыхательной цепи для обра­зования АТФ и воды. Примерно $0% всей энергии химических связей веществ освобождается в данной фазе. Эта энергия окисления субстратов сосредоточивается в фосфатных связях АТФ и часть ее выделяется н виде теплоты. Все реакции этой фазы локализуются в митохондриях.

Освобождение энергии в живой клетке осуществляется постепенно, благодаря этому на различных этапах ее выделения она может аккумулиро­ваться в удобной для клетки химической форме, в виде АТФ. Весь энергети­ческий аппарат клетки устроен как бы из трех блоков, имеющих разное функциональное назначение (т. е. осуществляющих три группы процессов):
лительному ферменту. Одновременно происходит частичная аккумуляция энергии расщепляемых субстратов в фосфатных связях АТФ. Дальнейшие превращения субстратов связаны с процессами биологического окисления.

2. Биологическое окисление

Реакции биологического окисления катализируются ферментами. Окисление может быть связано: 1) с отщеплением водорода от окисляемого субстрата (дегидрирование); 2) с потерей электрона; 3) с присоединением- кислорода. Все три типа реакций равнозначны и имеют место в живой клетке.

Процесс окисления не протекает изолированно, он сопряжен с реакцией восстановления, т. е. с присоединением водорода или электрона. Оба веще­ства — окисляемое и восстанавливаемое, образуют окислительно-восстано­вительную парусили редокс-пару.

Окислительную или восстановительную способность разных соединений характеризует их сродство к электрону. Чем легче субстрат отдает электроны, тем сильнее его восстанавливающая способность. Наоборот, высокое сродство к электрону характеризует их окисляющую способность. Способность любой окислительно-восстановительной пары к реакциям восстановления характери­зуется стандартным окислительно-восстановительным потенциалом, или ре- докс-потенциалом. Он выражается значением электродвижущей снлы (в воль­тах), возникающей в полуэлементе, в котором окислитель и восстановитель присутствуют в концентрации 1, 0 моль/л при 25°С л рН 7, 0 и находятся в равновесии с электродом, который может обратимо принимать электроны от восстановителя. Стандартный редокс-потенциал отражает восстанавливаю­щую активность редокс-пары и обозначается знаком £ ₀. В качестве нуле­вого стандарта принят редокс-потенциал газообразного водорода при дав­лении--191, 3 кПа (I атм), концентрации ионов Н⁺ в растворе 1, 0 моль/л, т. е. при рНО, температуре 25°С. Стандартный редокс-потенцнал этой окис­лительно-восстановительной пары согласно уравнению Н₂**2Н ⁺ +2е^- условно принят за нуль. При физиологическом значении рН 7, 0, при котором измеря­ются стандартные редокс-потенциалы всех окислительно-восстановительных пар, редокс-потенцнал системы Н₂/2Н * + 2е~ равен —0, 42 В. Отрицательное значение его указывает на выраженные восстановительные свойства. Чем более отрицателен редокс-потенцнал, тем сильнее выражена способность данной редокс-пары отдавать электроны, т. е. играть роль восстановителя. Напротив, чем более положителен редокс-потенцнал, тем более выражена способность данной редокс-пары принимать электроны, т. е. играть роль окислителя. Например, редокс-потенцнал пары НАД • Н + Н ⁺ /НАД⁺ равен — 0, 32 В, что говорит о высокой способности ее отдавать электроны, а редокс - потенциал пары '/г^г/НгО имеет большую положительную величину +0, 81 В, поэтому у кислорода наивысшая способность принимать электроны.