Тема: обмін речовин і енергії

Тема: Біологічне окиснення

 

Історія розвитку уявлення про біологічне окиснення

Питання про те, яким чином відбувається окис­нення речовин в організмі, давно привертало увагу вчених. Ще А. Лавуазьє виявив, що між процесом горіння органічних речо­вин поза організмом і процесом дихання тварин є багато спіль­ного. Виявилося, що при диханні, як і при горінні, із повітря поглинається кисень і утворюються СО₂ і Н₂О, тобто в організмі відбувається процес, подібний горінню або окисненню. Проте було незрозуміло, чому горіння речовин в організмі відбувається за низької температури (37° С), без полум'я і до того ж у водному середовищі, адже за звичайних умов вода припиняє горіння.

Тому було запропоновано ряд теорій окиснення речовин в організмі. Однією з перших була теорія К. Шенбайна. Він від­крив озон, здатний окиснювати деякі речовини за звичайної те­мператури. Оскільки озон являє собою "активний кисень", К. Шенбайн зробив припущення про те, що кисень, який вдиха­ється з повітрям, в організмі активізується. У подальшому ця теорія була розвинута російським ученим О.М. Бахом. Згідно з теорією О.М. Баха, активація кисню в організмі відбувається за допомогою речовин, які легко окиснюються, у результаті чого утворюються пероксиди. Такими речовинами, що легко окисню­ються, є оксигенази. Далі атом кисню перекису переноситься на інші речовини, які важче окиснюються за допомогою ферменту пероксидази. Ця теорія схематично виглядає так:

Оскільки шлях кисню до речовини, що окиснюеться, лежить через пероксиди, теорія О.М. Баха одержала назву пероксидної теорії окиснення.

Вивчаючи окиснення речовин у рослинах, російський біохімік В.І. Палладій установив, що воно може відбуватися й за відсутно­сті кисню, якщо в реакційному середовищі є речовини, здатні при­єднувати атоми водню. Такими речовинами в рослинах є пігмен­ти, або так звані хромогени, які й були виявлені В.І. Палладіним. Приєднуючи атоми водню від субстратів, що окиснюються, тобто відновлюючись, вони стають безбарвними, а віддаючи його, або окиснюючись, вони забарвлюються і перетворюються в пігменти. У безбарвні хромогени ці пігменти перетворюються за наявності кисню. На думку В.І. Палладіна, кисень повітря не досягає суб­страту і безпосередньо з ним не взаємодіє, роль його полягає тіль­ки в окисненні атомів водню хромогенів з утворенням молекул води. Різні речовини, що окиснюються в організмі, відщеплюють водень за допомогою ферментів дегідрогеназ. Таким чином, від­бувається процес дегідрування, що і с процесом окиснення речо­вин. У своїй теорії В.І. Палладій надавав великого значення ки­сню як акцептору водню, розкривши тим самим важливу роль кисню в біологічному окисненні.

Доказом справедливості теорії В.І. Палладіна стали праці Г.О. Віланда, який показав, що окиснення спиртів і альдегідів також можливе за відсутності кисню І відбувається шляхом дегі­дрування. На підставі цього Г.О. Віланд висловив припущення про те, що дегідрування субстратів і є головним процесом, що ле­жить в основі біологічного окиснення, і що кисень реагує безпосе­редньо з активованими атомами водню. Теорія окиснення речо­вин шляхом дегідрування, або "активації", водню субстратів, що окиснюються, називається теорією Палладіна-Віланда.

Надалі підтвердженням справедливості даної теорії стало відкриття в 1900-1920 pp. цілого ряду дегідрогеназ – ферментів, що віднімають водень від субстратів, які окиснюються.

У 1913 р. О.Г. Варбург виявив, що невеликі кількості ціаніду майже цілком припиняють поглинання кисню клітинами і тка­нинами, що дихають. Оскільки ціаніди утворюють стійкі ком­плекси з залізом, О.Г. Варбург припустив, що в процесі окиснен­ня речовин велику роль відіграє якийсь універсальний залізовмісний фермент, здатний переносити електрони й активувати кисень. О.Г. Варбург назвав його дихальним ферментом.

Дещо пізніше Д. Кейлін довів фундаментальну роль ще ряду залізовмісних ферментів, які називаються цитохромами і дуже схожі на дихальний фермент Варбурга. Д. Кейлін, поєднавши дві існуючі теорії окиснення речовин (приєднання кисню і дегі­дрування), показав, що процеси окиснення ряду субстратів включають як дегідрування, так і окиснення киснем. Процес окиснення субстратів являє собою ланцюг послідовних реакцій, які починаються реакціями відщеплення водню і закінчуються пе­ренесенням електронів на кисень. Через те, що при такому окисненні відбувається постійне поглинання кисню, цей процес оки­снення субстратів називається тканинним диханням.

Викладені вище теорії (теорія Шєнбайна - Баха про актива­цію кисню і теорія Палладіна - Віланда про активацію субстра­тів, тобто водню) склали основу сучасного уявлення про меха­нізм біологічного окиснення.

Окиснювальне фосфорилювання

Для різних життєвих процесів організму необхід­на енергія. Під час біологічного окиснення, або тканинного ди­хання, яке ми розглянули вище, відбувається виділення вільної енергії, яка використовується в організмі у двох напрямках: час­тина її споживається для різних реакцій біосинтезу, частина використовується для підтримки постійної температури тіла, тоб­то перетворюється в тепло.

Для того щоб вільна енергія окиснення субстратів могла бути використана для реакцій синтезу, скорочення м'язів і т.д., необ­хідно, щоб вона набула доступної для цього форми.

На початку 1930-х років академік В.О. Енгельгардт висловив ідею про те, що при кисневому диханні відбувається фосфорилювання аденозиндифосфатної кислоти (АДФ) з утворенням аде-нозинтрифосфатної кислоти (АТФ). Пізніше, у 1939-1940 pp., ра­дянський біохімік В.О. Беліцер установив, що при окисненні різних субстратів, зокрема, янтарної і лимонної кислот, відбувається споживання неорганічної фосфатної кислоти й утворення АТФ.

Аденозинтрифосфатна кислота являє собою універсальне рух­ливе джерело хімічної енергії в клітинах. Ця енергія зосере­джується, або акумулюється, у пірофосфатних хімічних зв'язках молекул АТФ:

Кількість енергії, акумульованої в одному макроергічному зв'язку АТФ, складає 33,5-41,9 кДж. При гідролізі АТФ хімічна енергія макроергічних зв'язків звільняється і може бути вико­ристана для різних життєвих процесів.

Таким чином, вільна енергія окиснення субстратів перетво­рюється в доступну для організму хімічну форму, акумульовану в пірофосфатних зв'язках АТФ, молекули якої є формою нако­пичення цієї енергії.

Для здійснення процесу фосфорилювання, тобто з'єднання АДФ з неорганічною фосфатною кислотою, неорганічний фос­фат має бути активований. Джерелом енергії для його актива­ції служить енергія окиснення субстратів. Таким чином, процес фосфорилювання АДФ, що супроводжується утворенням АТФ, пов'язаний з процесом окиснення, тому називається окиснювальним фосфорилюванням. Саме таким шляхом в організмі син­тезується значна кількість АТФ. У цьому процесі бере участь дихальний ланцюг ферментів, за допомогою яких атоми водню й електрони, відняті від субстратів, передаються на кисень. Сам же субстрат у цьому процесі участі не бере.

Як показав В.О. Беліцер, при перенесенні однієї пари елект­ронів (або двох атомів водню) від субстрату до кисню утворюєть­ся три молекули АТФ. На даний час відомо, в яких місцях диха­льного ланцюга відбувається активування неорганічного фосфа­ту і фосфорилювання АДФ. Перше активування відбувається на ділянці між НАД і флавопротеїдом, друге - між цитохромами b и с, і трете – між цитохромом а₃ і молекулярним киснем:

< і

Обмін вуглеводів

ТРАВЛЕННЯ ВУГЛЕВОДІВ

Вуглеводи займають дуже важливе місце в хар­чуванні людини і тварин. Вони складають більшу частину (близько 60-70%) харчового раціону людини і є основним дже­релом енергії, необхідної організму для здійснення різних фун­кцій. Тому кількість вуглеводів як основного енергетичного ма­теріалу повинна збільшуватися в раціоні людини в міру поси­лення фізичного навантаження.

Джерелом вуглеводів для людини є продукти рослинного по­ходження - мука, різноманітні крупи, картопля. Основним вуг­леводом цих продуктів є крохмаль і в незначній кількості кліт­ковина. З фруктами, ягодами і харчовими цукрами людина оде­ржує переважно сахарозу і фруктозу.

Проте не всі вуглеводи засвоюються організмом людини од­наково. Клітковина, наприклад, не перетравлюється травними соками. Вона лише частково розщеплюється за допомогою бак­терій у товстому відділі кишок до дисахариду целобіози і моно­сахариду глюкози. Тут же мікроорганізми використовують кліт­ковину для біосинтезу вітамінів групи К.

Клітковина необхідна як стимулятор секреторної і моторної функцій травного каналу і для формування калу, тому вона є важ­ливою складовою частиною харчового раціону людини. Проте надмірне надходження клітковини в організм викликає посилен­ня перистальтики кишок, і їжа проходить через травний канал дуже швидко. У результаті цього харчові продукти не повністю перетравлюються і всмоктуються, значна частина їх потрапляє в кал і видаляється з організму невикористаною. Поряд із цим при підвищеній кількості клітковини в харчовому раціоні в тов­стому відділі кишок посилюються процеси бродіння, відбувається скупчення газів, що може призвести до серйозних ускладнень у хворих людей, а також у тих, хто мало рухається.

Такі полісахариди, як крохмаль і глікоген, що надходять із їжею, попередньо підлягають розщепленню в травному каналі під дією певних ферментів. У результаті розщеплення утворю­ються моносахариди, які потім легко асимілюються тканинами організму.

Процес перетравлювання вуглеводів (крохмалю і дисаха­ридів) починається вже в ротовій порожнині під дією двох фер­ментів, що містяться в складі слини, - амілази і а-глюкозидази (мальтази). Амілаза розщеплює крохмаль, а-глюкозидаза - маль­тозу. Амілаза слини є більш активною порівняно з мальтазою, тому в ротовій порожнині з крохмалю утворюються переважно великі фрагменти його молекул - декстрини, що мають солод­кий смак, і лише незначна кількість мальтози і глюкози.

Оскільки в ротовій порожнині їжа довго не затримується, по­дальше розщеплення вуглеводів продовжується в наступних від­ділах травного каналу. У шлунку немає ферментів, які розщеплю­ють вуглеводи. До того ж ферменти слини припиняють свою дію в шлунку, де реакція середовища кисла, а оптимум дії цих ферме­нтів лежить у нейтральному або слабокислому середовищі.

У дванадцятипалій кишці й у порожнині тонкої кишки під дією ряду ферментів підшлункової залози і кишкового соку відбувається остаточне розщеплення вуглеводів до моносаха­ридів. Так, а-амілаза розщеплює крохмаль і декстрини до маль­този, α-глюкозидаза розщеплює мальтозу на дві молекули глю­кози. Під дією β-галактозидази (лактази) кишкового соку лак­тоза розщеплюється на глюкозу і галактозу, β-фруктофуранозидаза (сахараза) розщеплює сахарозу на глюкозу і фруктозу.

Моносахариди, що утворилися, глюкоза, фруктоза, галактоза добре розчинні у воді - є тими простими цукрами, що всмокту­ються стінкою кишок і через капіляри кишкових ворсинок по­трапляють у кров'яне русло. Під час усмоктування частина мо­носахаридів (фруктоза, галактоза і маноза) перетворюються в глюкозу. У такий спосіб із кишок у кров потрапляє переважно глюкоза, і лише в незначних кількостях - фруктоза, галактоза і маноза. З током крові через ворітну вену вони потрапляють у печінку й інші органи і тканини. Частина глюкози затримуєть­ся в печінці і використовується переважно для біосинтезу гліко­гену й інших складних вуглеводів, частина перетворюється в жири й окиснюється в тканинах. За нормальних умов на синтез глікогену використовується 3-5% глюкози, 30-35% її перетво­рюється в жири, а основна маса (60-70%) окиснюється до СО₂ і H₂О з виділенням енергії.

Невеличка кількість глюкози є обов'язковою складовою час­тиною крові. За нормою це складає до 120 мг%. Цей рівень підтримується, незважаючи на постійне споживання глюкози тканинами і періодичне надходження її" з кишок після прийому їжі. Головна роль у підтримці постійної концентрації глюкози в крові належить печінці. За недостатньої кількості глюкози в крові під впливом нервових імпульсів, що йдуть із центральної нервової системи, частина глікогену печінки розщеплюється, під­вищуючи тим самим рівень глюкози в крові. Цей процес нази­вають мобілізацією глікогену.

Регуляторну роль у підтримці постійного рівня глюкози в крові центральна нервова система здійснює не тільки шляхом прямого впливу на печінку, але й через ендокринні залози, серед яких найбільше значення мають надниркові і підшлункова за­лози. У мозковій речовині надниркових залоз утворюється ад­реналін, підвищений вміст якого в крові стимулює розщеплення глікогену в печінці. Підшлункова залоза виробляє гормон інсу­лін. Підвищене виділення цього гормону в кров супроводжуєть­ся зниженням глюкози в крові. Таким чином, інсулін діє проти­лежно адреналіну: він затримує розпад глікогену в печінці і сприяє відкладенню його в м'язах.

Крім інсуліну, в підшлунковій залозі виробляється ще один гормон - глюкагон, дія якого протилежна інсуліну.

Істотний вплив на рівень глюкози в крові має і ряд інших гормонів: соматотропін, кортикостерон, тироксин. Всі ці гормони викликають підвищення вмісту глюкози в крові, через що їх на­зивають діабетогенними (від назви захворювання "діабет", харак­терним для якого є підвищений вміст цукру в крові в результаті порушення функції підшлункової залози, що виробляє інсулін).

Концентрація глюкози в крові може збільшуватися до 160-180 мг% при вживанні з їжею великої кількості вуглеводів. Це явище зветься аліментарною, або харчовою, гіперглікемією, що супроводжується виділенням глюкози із сечею, тобто глюкозурією.

З вищевикладеного випливає, що надходження глюкози в кров відбувається переважно двома шляхами: розщепленням глікогену в печінці й усмоктуванням простих цукрів із кишок після прийому їжі. Утворення глюкози з глікогену відбувається не прямим його розщепленням, а за допомогою ферментів шля­хом приєднання до нього фосфатної кислоти. При цьому від глікогену послідовно відщеплюються залишки глюкози у ви­гляді фосфорних ефірів, які потім розщеплюються на глюкозу і фосфатну кислоту:

Невелика кількість глюкози утворюється також шляхом гідролітичного розщеплення глікогену, проте цей шлях має дргорядне значення.

БІОСИНТЕЗ ВУГЛЕВОДІВ

Існує два основні шляхи біосинтезу вуглеводів із відносно нескладних метаболітів. Один із них полягає у віднов­ленні вуглекислого газу до глюкози. Цей процес, характерний для зелених рослин і названий фотосинтезом, здійснюється за рахунок енергії сонячних променів за допомогою хлорофілу згі­дно з рівнянням:

Уловлюючи сонячні промені і перетворюючи їх енергію в енергію вуглеводів, зелені рослини забезпечують зберігання і розвиток життя на Землі. У цьому полягає, за словами К.А. Тимірязєва, космічна роль зелених рослин як посередника між сон­цем і всім живим на Землі.

Останнім часом роботи групи вчених Інституту біохімії ім. О.В. Палладіна НАН України під керівництвом академіка М.Ф. Гулого показали, що тканини вищих тварин також здатні фіксувати вуглекислий газ, хоча механізм його фіксації відрізняється від такого ж у фотосинтезуючих клітинах. Він полягає в нарощуванні вуглецевого скелета оксидом вуглецю (IV) таких субстратів, як кетокислоти, жирні кислоти, амінокис­лоти й ін.

У печінці, нирках і скелетних м'язах людини І вищих тва­рин існує інший шлях біосинтезу вуглеводів, який називають глюконеогенезом. Це синтез глюкози з піровиноградної або мо­лочної кислоти, а також із так званих глікогенних амінокислот, жирів і інших попередників, що в процесі метаболізму можуть перетворюватися в піровиноградну кислоту або метаболіти цик­лу трикарбоновых кислот.

Глюконеогенез - це шлях, обернений гліколізу. Проте цей шлях має три стадії, що в енергетичному відношенні не можуть бути використані при перетворенні піровиноградної кислоти в глюкозу. Ці три стадії гліколізу замінені "обхідними" реакція­ми з меншою витратою енергії.

Першою обхідною реакцією є перетворення піровиноградної кислоти у фосфоенолпіровиноградну. Оскільки розщеплення глюкози відбувається в мітохондріях, а синтез - у цитоплазмі, на першому етапі мітохондріальна піровиноградна кислота пере­творюється спочатку в щавлево-оцтову. Каталізує це перетво­рення фермент піруваткарбоксилаза, яка активується ацетил-КоА за участю АТФ. Щавлево-оцтова кислота, що утворилася, відновлюється потім за участю НАД Н + Н⁺ в яблучну:

Яблучна кислота дифундує в цитоплазму, окиснюється цито­плазматичною малатдегідрогеназою з утворенням цитоплазма­тичної щавлево-оцтової кислоти, з якої утворюється фосфоенол-піровиноградна кислота. Цю реакцію каталізує фосфоенолпіру-ваткарбоксикіназа. Донором фосфатної кислоти виступає ГТФ;

Далі відбувається ціла серія обернених реакцій, які закінчу­ються утворенням фруктозо-1,6-дифосфату. Перетворення фруктозо-1,6-дифосфату у фруктозо-6-фосфат - друга незворотна реакція гліколізу. Тому вона каталізується не фосфофруктокіназою, а фруктозодифосфатазою. Цей фермент каталізує незворотний гідроліз 1-фосфатної групи:

Фруктозо-1,6-дифосфат + Н₂О → Фруктозо-6-фосфат + Н₃РО₄

На наступній (оборотній) стадії біосинтезу глюкози фруктозо-6-фосфат перетворюється в глюкозо-6-фосфат під дією фосфоглюкоізомерази гліколізу.

Розщеплення глюкозо-6-фосфату до глюкози - третя незворотна реакція, яка не здійснюється шляхом обернення гексокі­назою. Вільна глюкоза утворюється за допомогою глюкозо-6-фосфатази, що каталізує реакцію гідролізу:

Глюкозо-6-фосфат + Н₂O → Глюкоза + Н₃РO₄.

У більшості клітин глюкозо-6-фосфат, який утворюється в процесі глікогенолізу, використовується як попередник для біо­синтезу оліго- і полісахаридів. Велику роль у біосинтезі цих складних сахаридів відіграє сполука уридиндифосфоглюкоза, яка виконує роль проміжного переносника глюкози.

Під час біосинтезу глікогену, наприклад, глюкозо-6-фосфат, перетворившись у глюкозо-1-фосфат під дією фосфоглюкомута-зи, взаємодіє з уридинтрифосфатною кислотою (УТФ) - сполу­кою, аналогічною АТФ, в яку замість аденіну входить азотиста основа урацил. У результаті цієї взаємодії за допомогою глюко­зо-1-фосфатуридилтрансферази утворюється уридилдифосфо-глюкоза:

На заключному етапі біосинтезу глікогену в реакції, що ка­талізується глікогенсинтетазою, залишок глюкози з УДФ-глюкози переноситься на кінцевий залишок глюкози амілазного ланцюга з утворенням 1,4-глікозидного зв'язку. Розгалуження глікогену шляхом утворення 1,6-зв'язків завершується аміло-1,4-1,6-трансглюкозидазою.

Біосинтез глікогену здійснюється не тільки з глюкозо-6-фос­фату, який утворився шляхом глюконеогенезу. Як уже зазнача­лося вище, для його біосинтезу використовується також частина глюкози після всмоктування. Синтез глікогену як процес утво­рення рухливого резерву вуглеводів в організмі має велике біо­логічне значення. Головна роль у цьому належить печінці. Завдяки синтезу і відкладанню глікогену в печінці підтримуєть­ся постійна концентрація глюкози в крові й інших тканинах, а також запобігаються втрати її з сечею при вживанні їжі, особли­во вуглеводної. Крім того, відкладання глікогену в печінці сприяє поступовому використанню вуглеводів залежно від умов існування організму.

Використанню глюкози для синтезу глікогену передує утво­рення глкжозофосфорних ефірів. Спочатку утворюється глюкозо-6-монофосфат. Джерелом енергії і донатором фосфату є АТФ. Каталізує цю реакцію гексокіназа. Під дією ферменту фосфо-глюкомутази глюкозо-6-монофосфат перетворюється в глюкозо-1-монофосфат:

Подальше перетворення глюкозо-1-монофосфату в глікоген відбувається вже знайомим нам шляхом.

 

Обмін ліпідів

Ліпіди являють собою велику групу органічних сполук. Всі вони різняться за своїм хімічним складом і структурою, але мають одну загальну для них властивість - нерозчинність у воді. Оскільки ферменти, які діють на ці органічні сполуки, водороз­чинні, розщеплення й усмоктування ліпідів у харчовому каналі характеризуються деякими особливостями. Наявність же ліпі­дів різної структури зумовлює різноманітні шляхи їх розщеп­лення і синтезу.

Зупинимося на обміні жирів, фосфатидів і стеридів, які ма­ють найбільш важливе біологічне значення.

Обмін ліпідів, як і вуглеводів, - багатоступінчатий процес, що складається з травлення, усмоктування, транспортування кро­в'ю, внутрішньоклітинного окиснення і біосинтезу.

ТРАВЛЕННЯ ЛІПІ ДІВ

Перетравлення тригліцеридів. Тригліцериди, або нейтральні жири, є концентрованими джерелами енергії в орга­нізмі. При окисненні 1 г жиру звільняється близько 38,9 кДж енергії. Як гідрофобні сполуки жири резервуються в компакт­ній формі, займаючи порівняно мало місця в організмі. Разом із їжею в організм людини щодоби надходить до 70 г жирів рос­линного і тваринного походження. За своєю хімічною природою вони є головним чином триглі церидами.

Розщеплення жирів відбувається за допомогою ферментів, які називають ліпазами. Слина не містить таких ферментів, тому в ротовій порожнині жири ніяких змін не зазнають. У шлунку активність ліпази дуже слабка. Це викликано тим, що в шлунку реакція середовища дуже кисла (рН=1,5 -2,5), у той час як оптимум дії ліпази знаходиться при рН=7,8 - 8,1. У зв'язку з цим у шлунку перетравлюється всього 3-5% жирів, що надходять.

Перетравлювання жирів у шлунку відбувається тільки в ново­народжених і дітей грудного віку. Це пов'язано з тим, що рН сере­довища в шлунку новонароджених становить 5,6, а за цих умов ліпаза проявляє велику активність. Крім того, жир молока матері, який є основним продуктом харчування дітей у цей період, знахо­диться в сильно емульгованому стані, а саме молоко містить ліполітичний чинник, що бере участь у перетравлюванні жирів.

Проте шлунок усе не відіграє певну роль у процесі перетрав­лювання жирів у дорослих. Він регулює надходження жиру в кишки і перетравлює білки, звільняючи таким шляхом жир з ліпопротеїдних комплексів їжі.

Основним місцем перетравлювання жирів є дванадцятипала кишка і відділи тонкої кишки. Оскільки жири нерозчинні у воді, а ферменти, що розщеплюють їх, є водорозчинними сполука­ми, необхідною умовою для гідролітичного розщеплення жирів на складові частини є їх диспергування (подрібнення) з утворен­ням тонкої емульсії. Диспергування й емульгування жиру від­бувається в результаті дії декількох чинників: жовчних кислот, вільних вищих жирних кислот, моно- і дигліцеридів, а також білків. Цьому сприяють також перистальтика кишок і вуглеки­слий газ, що постійно утворюється при взаємодії кислих компо­нентів їжі, що надходять із шлунка, з карбонатами кишок, які створюють лужне середовище. Вуглекислий газ, що утворюєть­ся, "пробулькує" через харчові маси, беручи участь таким чи­ном у диспергуванні жиру. Нейтралізації вмісту шлунку сприяє також надходження в просвіт тонкої кишки жовчі, яка має луж­ний характер.

Жовч - густа рідина світло-жовтого кольору зі специфіч­ним запахом, гірка на смак. До складу жовчі входять жовчні кислоти, жовчні пігменти, продукти розпаду гемоглобіну, холес­терин, лецитин, жири, деякі ферменти, гормони й ін. Жовч сприяє перистальтиці тонкої кишки, здійснює бактеріостатичну дію на її мікрофлору. З жовчю виділяються з організму отрути. Вона є також активатором ліполітичних ферментів і підвищує проник­ність стінки кишок.

Головною складовою частиною жовчі є жовчні кислоти. Вони утворюються в печінці з холестерину і знаходяться в жов­чі як у вільному, так і зв'язаному стані, а також у вигляді натрі­євих солей. У жовчі людини містяться в основному три жовчні кислоти. Основну масу складають холева (3,7,12-тригідрокси-холанова) і дезоксихолева (3,12-дигідроксихоланова), невелику частину - літохолева (3-гідроксихоланова) кислоти, які є похід­ними холанової кислоти:

Холева кислота може знаходитися в жовчі також у зв'язано­му стані у вигляді парних сполук з гліцином і похідним цисте­їну таурином- відповідно глікохолевої і таурохолевої кислот:

Завдяки наявності жовчних кислот відбувається зменшення поверхневого натягу ліпідних крапель, що сприяє утворенню дуже тонкої і стійкої емульсії, діаметр часток якої становить близько 0,5 мкм. Утворенню емульсії сприяють також моногліцериди і вищі жирні кислоти. Емульгування жиру призводить до колоса­льного збільшення поверхні дотикання ліпази з водним розчи­ном. Таким чином, чим тонша емульсія жирів, тим краще і шви­дше вони розщеплюються ліпазою. Крім того, у вигляді тонкої емульсії жири можуть навіть усмоктуватися стінкою кишок без­посередньо, не розщеплюючись на складові частини.

За наявності жовчних кислот під дією ліпази в просвіті тон­кої кишки відбувається гідролітичне розщеплення жирів. У результаті цього утворюються продукти часткового і повного розщеплення жирів - моно- і дигліцериди, вільні вищі жирні кислоти і гліцерин:

Тут же міститься і частина нерозщепленого жиру у вигляді дуже тонкої емульсії. Всі ці продукти надалі всмоктуються стін­ками кишок. У суміші тригліцериди складають близько 10%, моно- і дигліцериди - також 10%, а основна маса (близько 80%) продукти повного розщеплення жирів (гліцерин і вищі жирні кислоти).

Перетравлення фосфогліцеридів. Основним місцем пере­травлювання фосфатидів також є дванадцятипала кишка. Ему­льгування цих ліпідів відбувається під впливом тих же речо­вин, що і три гліцеридів. Проте гідролітичне розщеплення фос­фатидів здійснюється під дією фосфоліпаз А, В, С і D. Кожний фермент діє на певний складноефірний зв'язок фосфоліпіду. Гі­дролітичне розщеплення, наприклад, лецитину відбувається в такий спосіб:

Такому повному розщепленню підлягає незначна частина фосфатидів, оскільки проміжні продукти розщеплення добре роз­чинні у воді і легко всмоктуються стінками кишок. До того ж фосфогліцериди легко утворюють емульсії, які також можуть усмоктуватися кишковою стінкою.

Перетравлення стеридів. Стериди, що входять до складу їжі, емульгуються під впливом тих же чинників, що і жири, після чого піддаються гідролітичному розщепленню до вільних стери­нів і вищих жирних кислот. Цей процес здійснюється під дією ферменту холестеринестерази.

УСМОКТУВАННЯ ЛІПІДІВ

У результаті травлення жирів, фосфатидів, стери­дів у просвіті тонкої кишки утворюється значна кількість про­дуктів їх часткового і повного гідролітичного розщеплення; моно- і дигліцериди, вищі жирні кислоти, стерини, азотисті осно­ви, фосфатна кислота. Міститься також невелика кількість три-гліцеридів, які знаходяться в тонкоемульгованому стані. Всі ці продукти всмоктуються стінкою тонкої кишки.

Такі продукти розщеплення, як жирні кислоти і холестерин, погано розчиняючись у воді, утворюють з жовчними кислотами водорозчинні комплекси - так звані холеїнові кислоти. Ці кисло­ти легко проникають в епітеліальні клітини стінки кишок, де роз­щеплюються на складові частини. Звільнені жовчні кислоти повер­таються в просвіт кишок і знову використовуються для транспор­тування нерозчинних у воді продуктів розщеплення жирів.

Частина продуктів розщеплення (гліцерин, гліцеринфосфатна кислота, азотисті основи) добре розчинні у воді і легко прони­кають в епітеліальні клітини. Фосфатна кислота всмоктується в клітини епітелію стінки тонкої кишки у вигляді натрієвих і калієвих солей. В основі всмоктування ліпідів лежить ряд скла­дних фізико-хімічних і біологічних процесів, для здійснення яких витрачається енергія макроергічних зв'язків АТФ.

В епітеліальних клітинах слизистої оболонки кишок із про­дуктів гідролітичного розщеплення, що всмокталися, знову син­тезуються ліпіди. Проте цей ресинтез призводить до утворення специфічних жирів, характерних для даного організму.

Для утворення нейтральних жирів використовуються вищі жирні кислоти, гліцерин, моно- і дигліцериди. Одночасно відбу­вається і синтез фосфатидів, для яких використовуються голо­вним чином гліцеринфосфатна кислота, гліцериди і дигліцери­ди, а також у невеликій кількості моногліцериди. З холестерину і вищих жирних кислот утворюються стериди.

В епітеліальних клітинах стінок кишок із синтезованих лі­підів, а також крапель тригліцеридів, що всмокталися, вітамінів (A, D, Е, К) і білків утворюються комплекси розміром 150-200 нм, які називаються хіломікронами, Хіломікрони наповнені різно­го роду ліпідами, утвореними переважно тригліцеридами, зовні­шня білкова оболонка дозволяє хіломікронам добре розчиняти­ся у воді. Хіломікрони дифундують спочатку в міжклітинну рі­дину, потім у лімфатичні капіляри і зрештою потрапляють у кров'яне русло, де під дією гепарину розпадаються на дрібні ча­стинки. З током крові вони розносяться по всьому організму і відкладаються в резерв у жирових депо - під шкірою, навколо нирок, сальнику, брижі, м'язовій тканині. Частина жирів крові використовується для пластичних цілей, як джерело хімічної енергії і т.д.

Таким чином, хіломікрони є переносниками утворених епітеліальними клітинами тонкої кишки ліпідів. При цьому вони транспортують у крові головним чином тригліцериди.

Поряд з хіломікронами існують і інші форми транспорту лі­підів кров'ю, наприклад α- і β-ліпопротеїди.

Найбільш рухливою формою ліпідів є вільні вищі жирні ки­слоти.

Важлива роль в активному транспортуванні ліпідів належить форменим елементам крові. Еритроцити, наприклад, беруть участь у перенесенні фосфатидів і холестерину, лейкоцити - три­гліцеридів.

Велика роль в обміні ліпідів належить жировим депо. До­слідження показали, що в жирових депо відкладається не тіль­ки знов синтезований в організмі специфічно видовий жир, але й у невеликих кількостях чужорідний, тобто той, що входив до складу їжі. Досліди, проведені на собаках, які голодували, пока­зали, що харчові жири після всмоктування надходять спочатку в жирові депо, з яких переходять у плазму крові.

Таким чином, жирова тканина не є пасивним депо жирів, склад її постійно поновлюється за рахунок ліпідів, що всмокту­ються з кишок або синтезуються в організмі.

БІОСИНТЕЗ ТРИГЛІЦЕРИДІВ

Синтез нейтральних жирів складається з трьох процесів: утворення вищої жирної кислоти, утворення гліцери­ну І сполучення цих речовин у молекулу триглідериду.

Синтез вищих жирних кислот. Місцем утворення вищих жирних кислот є цитоплазма. У процесі беруть участь активна форма оцтової кислоти, тобто ацетил-КоА, і вуглекислий газ.

На першому етапі біосинтезу при взаємодії ацетил-КоА і СО₂ утворюється проміжна сполука - малоніл-КоА. Утворення цієї сполуки відбувається за участі вітаміну Н з використанням ене­ргії АТФ:

У процесі біосинтезу вищої жирної кислоти малоніл-КоА розщеплюється на ацетил-КоА і СО₂, а окремі молекули ацетил-КоА з'єднуються між собою в довгий ланцюг. Отже, малоніл-КоА не входить до складу ланцюга вищої жирної кислоти, а служить лише проміжною формою, яка забезпечує утворення вищої жирної кислоти з окремих молекул ацетил-КоА.

Весь процес з'єднання молекул ацетил-КоА здійснюється за допомогою ферменту синтетази жирних кислот, яка містить дві сульфгідрильні групи: центральну і периферичну. На центра­льній тіоловій групі здійснюється реакція конденсації між малоніл-КоА й ацетил-КоА з виділенням СО₂ і відновлення утво­реного продукту, а периферична група служить для утримання утвореного ланцюга:

 

У результаті з'єднання двох молекул ацетил-КоА і двох від­новних реакцій утворюється фрагмент вищої жирної кислоти, який складається з чотирьох атомів вуглецю.

На наступному етапі утворений фрагмент переноситься з центральної тіолової групи ферменту на периферичну:

При цьому центральна тіолова група звільняється і знову вступає в реакцію з новою молекулою малоніл-КоА. Потім у тій же послідовності відбувається реакція конденсації між утвореним ланцюгом і молекулою малоніл-КоА з виділенням С0₂ І реакції відновлення продукту, що утворився знову. Та­ким чином, при багаторазовому повторенні цих реакцій вугле­водний ланцюг усе більше подовжується, доки не з'єднає 16-18 атомів вуглецю. Після цього синтезована вища жирна кислота взаємодіє з молекулою коензима А, утворюючи активну форму у вигляді ацил-КоА й звільняючи при цьому синтетазу жирної кислоти:

Біосинтез тригліцеридів. Утворення жиру відбувається в результаті взаємодії молекули гліцерину з трьома молекулами вищих жирних кислот. Основним джерелом гліцерину в орга­нізмі є проміжний продукт окиснення вуглеводів - діоксіацетон-монофосфат, який шляхом відновлення перетворюється спочат­ку в гліцеринфосфатну кислоту, а потім у вільний гліцерин. Субстратом у біосинтезі жирних кислот, як ми тільки-но поба­чили, служить активна форма оцтової кислоти - ацетил-КоА.

Як показали дослідження, гліцерин вступає б реакцію у ви­гляді гліцеринфосфату, а жирні кислоти - у вигляді своєї актив­ної форми - ацил-КоА. На першому етапі біосинтезу триглі-церидів відбувається утворення фосфатидної кислоти - загаль­ного проміжного продукту в біосинтезі жирів І фосфатидів:

і

Далі фосфатидна кислота ферментативним шляхом розщеп­люється на фосфатну кислоту і α, β-дигліцерид, що також є загаль­ним проміжним продуктом у біосинтезі жирів і фосфатидів:

Утворений α, β-дигліцерид взаємодіє з третьою молекулою ацилкоензиму А, утворюючи молекулу тригліцериду:

Синтезований таким шляхом специфічний для організму жир відкладається в жирових депо.

Біосинтез лецитину. Лецитин, як відомо, належить до групи фосфатидів. Для його біосинтезу необхідні такі речовини: глі­церин, вищі жирні кислоти, фосфатна кислота й азотиста основа холін. За своєю будовою лецитин деякою мірою нагадує триглі-цериди. Тому багато етапів у біосинтезі лецитину аналогічні етапам біосинтезу нейтральних жирів.

Як уже було сказано, загальною проміжною сполукою в біо­синтезі фосфатидів і тригліцеридів є α, β-дигліцерид. Саме до цієї проміжної сполуки і приєднуються фосфатна кислота і хо­лін. Відбувається це в такий спосіб.

Спочатку холін фосфорилюється за допомогою АТФ з утво­ренням фосфохоліну:

 

який далі взаємодіє з цитидинтрифосфатною кислотою (ЦТФ) і

перетворюється в цитидиндифосфохолін:

 

При взаємодії цитидинфосфохоліну з α, β-дигліцерндом утворюється лецитин: